ESP8266/ESP32自动下载原理

 

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  背景   前一段时间需要自己制作一片ESP32单板，成本和封装考虑，计划选择CH340E作为USB转串口芯片，ESP8266/ESP32的单板一般都有自动下载电路，用户无需按钮即可令单板自动进入下载模式实现固件烧录。 然而自动下载电路需要串口芯片支持DTR和RTS，CH340E却只有RTS信号，没有DTR信号，于是研究学习了一下自动下载电路的原理，准备用一些奇淫技巧解决CH340E的自动下载问题。 遗憾的是， 目前的中文互联网上，关于ESP8266/ESP32自动下载原理，所有能搜索到的解释大部分都是错误的，差之毫厘，谬以千里。 如果随意的假设，自以为是，最终得出的只能是一厢情愿的结论。

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  下载模式

ESP8266/ESP32进入下载模式[1]的条件很简单： EN（也称为RST）上升沿时候GPIO0保持为低电平，如下图所示：

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  分析1   下载电路如下所示，其结构与RS触发器比较类似，注意EN和IO0信号均连接在三极管集电极，通过控制三极管只能拉低此信号。 若三极管截止，则此信号的状态由其他电路决定（一般来说，此类信号会默认接电阻上拉到VCC） 逻辑关系如下:

DTR = 0; RTS = 0, 此时Q1截止，Q2截止，EN = 1; IO0 = 1 DTR = 0; RTS = 1，此时Q1截止，Q2导通, EN = 1; IO0 = 0 DTR = 1; RTS = 0, 此时Q1导通，Q2截止, EN = 0; IO0 = 1 DTR = 1; RTS = 1, 此时Q1截止，Q2截止, EN = 1; IO0 = 1 真值表: DTR RST EN IO0

 

0	0	1	1
0	1	1	0
1	0	0	1
1	1	1	1

简单总结：当DTR和RTS同时为0或者同时为1时，三极管Q1和Q2均为截止状态，此时EN和IO0的状态由其他电路决定（内部/外部上拉电阻）。 当不同时为0或者1时：

EN  = RTS IO0 = DTR 注意这种逻辑下 EN和IO0是不可能同时为0的，然而进入下载模式则需要如下的序列:

1.  IO = 0; EN = 0 2.  IO = 0; EN 0 -> 1 从逻辑表上看是根本无法正常进入下载模式的，此为疑惑1

 

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  分析2   再来继续分析一下esptool.py[2]里下载相关的代码

 # issue reset-to-bootloader:         # RTS = either CH_PD/EN or nRESET (both active low = chip in reset         # DTR = GPIO0 (active low = boot to flasher)         #         # DTR & RTS are active low signals,         # ie True = pin @ 0V, False = pin @ VCC.         if mode != 'no_reset':             self._setDTR(False)  # IO0=HIGH         1)  self._setRTS(True)   # EN=LOW, chip in reset             time.sleep(0.1)         2)  self._setDTR(True)   # IO0=LOW         3)  self._setRTS(False)  # EN=HIGH, chip out of reset             time.sleep(0.05)         4)  self._setDTR(False)  # IO0=HIGH, done 注意True是低电平，False为高电平，另外代码中的setDTR()和setRTS()两条语句之间虽然看上去紧挨着没有延时，然而由于这里是高级语言python，两条语句之间的延时并不能忽略。 因此分析的时候必须依次的进行状态分析，以下分为四个阶段依次分析:

 

设置DTR = 1; RTS = 0, 此时Q1导通，Q2截止, EN = 0; IO0 = 1

设置DTR = 0; RTS = 0, 此时Q1截止，Q2截止, EN = 1; IO0 = 1

设置DTR = 0; RTS = 1, 此时Q1截止，Q2导通, EN = 1; IO0 = 0

设置DTR = 1; RTS = 1, 此时Q1截止，Q2截止, EN = 1; IO0 = 1

如果按照上面的代码分析来做结论，不论如何系统也是不可能进入下载模式的： EN和IO0首先不可能同时为0，EN由0->1的上升沿IO0也并不为0，再次确认之前的疑惑，那么系统究竟是如何进入下载模式的呢？

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  答案   问题的答案实际在另外一部分电路，原理其实非常简单：EN信号连接在一个电容充放电电路上 CHIP_PU即EN，代码中2-3阶段之后会延时一段时间，而EN由于电容充电，电平并不会立马变为高电平，而是缓慢上升，以如上参数为例计算，同时参考芯片电气参数特性 高电平为0.75VDD，则达到高电平按照如下公式计算： 解得t = 14ms，即EN经过14ms上升到电平1，在实际代码中延时了50ms的等待时间，以确保延时后EN处于电平1的状态。 另外需要提的是，阶段1需要等待一段时间，让电容放电，保证EN电平下降到电平0，才能保证系统正常复位，在代码中预留了100ms的等待时间，同样可以通过电容放电公式计算出放电到电平0需要的时间，感兴趣的朋友可以自行根据公式计算确认。 　　

      审核编辑：彭静