浅析Zephyr在ESP32上的启动流程

　　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

　　1

　　2

　　3

　　4

　　5

　　6

　　7

　　8

　　9

　　10

　　11

　　12

　　13

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　　15

　　16

　　17

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　　20

　　21

　　22

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　　24

　　25

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　　27

　　28

　　29

　　__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