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浅析Zephyr在ESP32上的启动流程

ZephyrProject 来源:开源中国 作者:HalfCoder 2021-06-07 17:04 次阅读

理解Zephyr在一款soc上的启动流程,有利于分析和调试开机过程卡死,驱动异常等的问题。因此在上手一款新的soc时掌握Zephyr在其上面的启动流程非常必要。本文对Zephyr在ESP32上的启动流程进行分析,说明ESP32从上电开始如何执行到Zephyr应用的main函数。

Zephyr支持两种ESP32引导方式:

配置CONFIG_BOOTLOADER_ESP_IDF=n:ROM Boot -》 Zephyr

配置CONFIG_BOOTLOADER_ESP_IDF=y. ROM Boot -》 ESP32 Bootloader -》 Zephyr

本文只分析CONFIG_BOOTLOADER_ESP_IDF=y的流程,在该流程理解另一种也类似,在CONFIG_BOOTLOADER_ESP_IDF=n的情况下相当于是在ESP32的bootloader处放了一个zephyr应用。

ESP32下Zephyr是被当作ESP32的APP被引导,因此有必要简单了解ESP32的启动流程

ESP32启动阶段

ESP32是双核CPU,其中cpu0叫做PRO CPU, cpu1叫做APP CPU,启动流程如下:

SOC上电, PRO CPU开始运行,跳到ROM 0x40000400 处复位向量代码处执行

在PRO CPU上运行ROM上一级引导代码从Flash的0x1000读出二级引导程序加载到内部IRAM

跳转到内部IRAM上二级引导程序执行

二级引导程序从 Flash 的 0x8000 偏移地址处读取分区表, 从分区表中读到APP的信息

二级引导程序将Zephyr数据和代码段复制到DRAM和IRAM。对于Zephyr内一些加载地址位于DROM和IROM区域的段,通过配置 Flash MMU 为其提供正确的映射。

二级引导程序会从Zephyr二进制镜像文件的头部寻找的入口地址,然后跳转到该地址处运行。

以上流程中1~3是已经被固化到ESP32的ROM中无法修改,4~6是由modules/hal/espressif/components/bootloader完成,可以做定制修改,但一般不修改。以上1~6都是在PRO CPU中执行。

Zephyr的入口地址就是函数__start,第六步后就会跳转到__start中执行

Zephyr阶段

Zephyr阶段运行到main主要步骤:__start-》z_cstart-》bg_thread_main-》main

__start

文件位置zephyr/soc/xtensa/esp32/soc.c, 主要完成下面内容:

搬移中断向量表

初始化bss段

关闭中断

确保APP CPU没有运行(将在后面SMP初始化阶段打开)

代码摘要如下

void __attribute__((section(“.iram1”))) \_\_start(void)

{

//搬移中断向量表

__asm__ __volatile__ (

“wsr %0, vecbase”

: “r”(&_init_start));

//BSS段初始化

(void)memset(&_bss_start, 0,

(&_bss_end - &_bss_start) * sizeof(_bss_start));

__asm__ __volatile__ (

“”

: “g”(&_bss_start)

: “memory”);

//关闭中断

__asm__ __volatile__ (

“wsr %0, PS”

: “r”(PS_INTLEVEL(XCHAL_EXCM_LEVEL) | PS_UM | PS_WOE));

//关闭APP CPU

*app_cpu_config_reg &= ~DPORT_APPCPU_CLKGATE_EN;

//初始化cpu指针

__asm__ volatile(“wsr.MISC0 %0; rsync” : : “r”(&_kernel.cpus[0]));

//开始zephyr初始化

z_cstart();

CODE_UNREACHABLE;

}

是否发现跳到zephyr的__start是一个C函数,但之前Zephyr并没有做C堆栈(SP指针)初始化?这是因为在ESP32的bootloader阶段已经做了,Zephyr无需再做。

z_cstart

主要完成kernel初始化,PRE_KERNEL_1和PRE_KERNEL_2级别的驱动初始化,然后启动main thread:bg_thread_main,剩下的其它初始化和应用程序的main都在bg_thread_main中。

代码摘要如下

__boot_func

FUNC_NORETURN void z_cstart(void)

{

//架构相关的内核初始化

arch_kernel_init();

// static devices初始化

z_device_state_init();

//初始化PRE_KERNEL_1和PRE_KERNEL_2驱动,大多都是硬件相关

z_sys_init_run_level(_SYS_INIT_LEVEL_PRE_KERNEL_1);

z_sys_init_run_level(_SYS_INIT_LEVEL_PRE_KERNEL_2);

//创建并切换到main thread运行

switch_to_main_thread(prepare_multithreading());

CODE_UNREACHABLE; /* LCOV_EXCL_LINE */

}

__boot_func

static char *prepare_multithreading(void)

{

char *stack_ptr;

//初始化OS调度器

z_sched_init();

//创建main thread

stack_ptr = z_setup_new_thread(&z_main_thread, z_main_stack,

CONFIG_MAIN_STACK_SIZE, bg_thread_main,

NULL, NULL, NULL,

CONFIG_MAIN_THREAD_PRIORITY,

K_ESSENTIAL, “main”);

//将main thread加入到就绪态

z_mark_thread_as_started(&z_main_thread);

z_ready_thread(&z_main_thread);

//为每颗CPU 创建idle thread

for (int i = 0; i 《 CONFIG_MP_NUM_CPUS; i++) {

init_idle_thread(i);

_kernel.cpus[i].idle_thread = &z_idle_threads[i];

_kernel.cpus[i].id = i;

_kernel.cpus[i].irq_stack =

(Z_KERNEL_STACK_BUFFER(z_interrupt_stacks[i]) +

K_KERNEL_STACK_SIZEOF(z_interrupt_stacks[i]));

}

initialize_timeouts();

return stack_ptr;

}

main thread被加入到就绪态,因此下一次调度时bg_thread_main就会被执行

bg_thread_main

在bg_thread_main中完成剩余的驱动初始化,并且启动esp32的第二颗CPU: APP CPU, 然后运行到应用的main函数。

代码摘要如下

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__boot_func

static void bg_thread_main(void *unused1, void *unused2, void *unused3)

{

z_sys_post_kernel = true;

//初始化POST_KERNEL级别驱动

z_sys_init_run_level(_SYS_INIT_LEVEL_POST_KERNEL);

boot_banner();

//初始化APPLICATION级别驱动

z_sys_init_run_level(_SYS_INIT_LEVEL_APPLICATION);

//初始化静态声明的thread

z_init_static_threads();

#ifdef CONFIG_SMP

//初始化SMP, 到这里才会启动ESP32的另一颗CPU

z_smp_init();

//初始SMP级别的驱动,例如跨CPU通信的mailbox, ipm驱动

z_sys_init_run_level(_SYS_INIT_LEVEL_SMP);

#endif

extern void main(void);

//执行应用程序的main

main();

/* Mark nonessenrial since main() has no more work to do */

z_main_thread.base.user_options &= ~K_ESSENTIAL;

}

关于main

这里调用的main函数,是在Zephyr应用程序中实现,最后通过链接器链接在一起。Zephyr应用程序的main是在main thread中执行,由于main thread的默认优先级比较高0, 因此要注意不要在main中去做while(1),避免导致其它抢占式线程拿不到CPU。

关于SMP

从前面的分析可以看到z_smp_init前,Zephyr上包括main thread的所有代码都是在PRO CPU上执行,在z_smp_init后Zephyr的代码才有机会运行到APP CPU上, SMP是一个很大的议题,不是在本文分析范围内。这里简单列出esp32 SMP初始化的主要流程供参考:

z_smp_init(smp.c)-》arch_start_cpu(esp32-mp.c)-》appcpu_start-》esp32_rom_ets_set_appcpu_boot_addr-》appcpu_entry1-》z_appcpu_stack_switch-》appcpu_entry2-》smp_init_top(smp.c)

参考

https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/zh_CN/latest/esp32/api-guides/startup.html

编辑:jq

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原文标题:Zephyr ESP32启动流程

文章出处:【微信号:ZephyrProject,微信公众号:ZephyrProject】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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