esp-idf/docs/zh_CN/api-reference/system/ulp-risc-v.rst

ULP RISC-V 协处理器编程
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:link_to_translation:`en:[English]`

ULP RISC-V 协处理器是 ULP 的一种变体，用于 {IDF_TARGET_NAME}。与 ULP FSM 类似，ULP RISC-V 协处理器可以在主处理器处于低功耗模式时执行传感器读数等任务。其与 ULP FSM 的主要区别在于，ULP RISC-V 可以通过标准 GNU 工具使用 C 语言进行编程。ULP RISC-V 可以访问 RTC_SLOW_MEM 内存区域及 RTC_CNTL、RTC_IO、SARADC 等外设的寄存器。RISC-V 处理器是一种 32 位定点处理器，指令集基于 RV32IMC，包括硬件乘除法和压缩指令。

安装 ULP RISC-V 工具链
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ULP RISC-V 协处理器代码以 C 语言（或汇编语言）编写，使用基于 GCC 的 RISC-V 工具链进行编译。

如果您已依照 :doc:`快速入门指南 <../../../get-started/index>` 中的介绍安装好了 ESP-IDF 及其 CMake 构建系统，那么 ULP RISC-V 工具链已经被默认安装到了您的开发环境中。

.. note: 在早期版本的 ESP-IDF 中，RISC-V 工具链具有不同的名称：`riscv-none-embed-gcc`。

编译 ULP RISC-V 代码
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要将 ULP RISC-V 代码编译为某组件的一部分，必须执行以下步骤：

1. ULP RISC-V 代码以 C 语言或汇编语言编写（必须使用 `.S` 扩展名)，必须放在组件目录中一个独立的目录中，例如 `ulp/`。

.. note: 当注册组件时（通过 ``idf_component_register``），该目录不应被添加至 ``SRC_DIRS`` 参数，因为目前该步骤需用于 ULP FSM。如何正确添加 ULP 源文件，请见以下步骤。

2. 注册后从组件 CMakeLists.txt 中调用 ``ulp_embed_binary`` 示例如下::

    ...
    idf_component_register()

    set(ulp_app_name ulp_${COMPONENT_NAME})
    set(ulp_sources "ulp/ulp_c_source_file.c" "ulp/ulp_assembly_source_file.S")
    set(ulp_exp_dep_srcs "ulp_c_source_file.c")

    ulp_embed_binary(${ulp_app_name} "${ulp_sources}" "${ulp_exp_dep_srcs}")

 ``ulp_embed_binary`` 的第一个参数指定生成的 ULP 二进制文件名。生成的其他文件，如 ELF 文件、.map 文件、头文件和链接器导出文件等也可使用此名称。第二个参数指定 ULP 源文件。最后，第三个参数指定组件源文件列表，其中包括生成的头文件。此列表用以正确构建依赖，并确保在构建过程中先生成后编译包含头文件的源文件。请参考下文，查看为 ULP 应用程序生成的头文件等相关概念。

3. 使用常规方法（例如 `idf.py app`）编译应用程序。

   在内部，构建系统将按照以下步骤编译 ULP 程序：

   1. **通过 C 编译器和汇编器运行每个源文件。** 此步骤在组件编译目录中生成目标文件（.obj.c 或 .obj.S，取决于处理的源文件）。

   2. **通过 C 预处理器运行链接器脚本模版。** 模版位于 ``components/ulp/ld`` 目录中。

   3. **将目标文件链接到 ELF 输出文件** (``ulp_app_name.elf``)。此步骤生成的 .map 文件默认用于调试 (``ulp_app_name.map``)。

   4. **将 ELF 文件中的内容转储为二进制文件** (``ulp_app_name.bin``)，以便嵌入到应用程序中。

   5. 使用 ``riscv32-esp-elf-nm`` 在 ELF 文件中 **生成全局符号列表** (``ulp_app_name.sym``)。

   6. **创建 LD 导出脚本和头文件** （``ulp_app_name.ld`` 和 ``ulp_app_name.h``），包含来自 ``ulp_app_name.sym`` 的符号。此步骤可借助 ``esp32ulp_mapgen.py`` 工具来完成。

   7. **将生成的二进制文件添加到要嵌入应用程序的二进制文件列表中。**

.. _ulp-riscv-access-variables:

访问 ULP RISC-V 程序变量
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在 ULP RISC-V 程序中定义的全局符号也可以在主程序中使用。

例如，ULP RISC-V 程序可以定义 ``measurement_count`` 变量，此变量可以定义程序从深度睡眠中唤醒芯片之前需要进行的 ADC 测量的次数。

.. code-block:: c

    volatile int measurement_count;

    int some_function()
    {
        //read the measurement count for use it later.
        int temp = measurement_count;

        ...do something.
    }

构建系统生成定义 ULP 编程中全局符号的 ``${ULP_APP_NAME}.h`` 和 ``${ULP_APP_NAME}.ld`` 文件，使主程序能够访问全局 ULP RISC-V 程序变量。上述两个文件包含 ULP RISC-V 程序中定义的所有全局符号，且这些符号均以 ``ulp_`` 开头。

头文件包含对此类符号的声明：

.. code-block:: c

    extern uint32_t ulp_measurement_count;

注意，所有符号（包括变量、数组、函数）均被声明为 ``uint32_t``。函数和数组需要先获取符号地址，再转换为适当的类型。

生成的链接器文本定义了符号在 RTC_SLOW_MEM 中的位置::

    PROVIDE ( ulp_measurement_count = 0x50000060 );

要从主程序访问 ULP RISC-V 程序变量，需使用 ``include`` 语句包含生成的头文件。这样，就可以像访问常规变量一样访问 ULP RISC-V 程序变量。

.. code-block:: c

    #include "ulp_app_name.h"

    void init_ulp_vars() {
        ulp_measurement_count = 64;
    }

启动 ULP RISC-V 程序
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要运行 ULP RISC-V 程序，主程序需要调用 :cpp:func:`ulp_riscv_load_binary` 函数，将 ULP 程序加载到 RTC 内存中，然后调用 :cpp:func:`ulp_riscv_run` 函数，启动 ULP RISC-V 程序。

注意，必须在 menuconfig 中启用 `CONFIG_ULP_COPROC_ENABLED` 和 `CONFIG_ULP_COPROC_TYPE_RISCV` 选项，以便正常运行 ULP RISC-V 程序。``RTC slow memory reserved for coprocessor`` 选项设置的值必须足够存储 ULP RISC-V 代码和数据。如果应用程序组件包含多个 ULP 程序，RTC 内存必须足以容纳最大的程序。

每个 ULP RISC-V 程序均以二进制 BLOB 的形式嵌入到 ESP-IDF 应用程序中。应用程序可以引用此 BLOB，并以下面的方式加载此 BLOB（假设 ULP_APP_NAME 已被定义为 ``ulp_app_name``）：

.. code-block:: c

    extern const uint8_t bin_start[] asm("_binary_ulp_app_name_bin_start");
    extern const uint8_t bin_end[]   asm("_binary_ulp_app_name_bin_end");

    void start_ulp_program() {
        ESP_ERROR_CHECK( ulp_riscv_load_binary( bin_start,
            (bin_end - bin_start)) );
    }

一旦上述程序加载到 RTC 内存后，应用程序即可调用 :cpp:func:`ulp_riscv_run` 函数启动此程序：

.. code-block:: c

    ESP_ERROR_CHECK( ulp_riscv_run() );

ULP RISC-V 程序流
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{IDF_TARGET_RTC_CLK_FRE:default="150kHz", esp32s2="90kHz", esp32s3="136kHz"}

ULP RISC-V 协处理器由定时器启动，调用 :cpp:func:`ulp_riscv_run` 即可启动定时器。定时器为 RTC_SLOW_CLK 的 Tick 事件计数（默认情况下，Tick 由内部 90 kHz RC 振荡器产生）。Tick 数值使用 ``RTC_CNTL_ULP_CP_TIMER_1_REG`` 寄存器设置。启用 ULP 时，使用 ``RTC_CNTL_ULP_CP_TIMER_1_REG`` 设置定时器 Tick 数值。

此应用程序可以调用 :cpp:func:`ulp_set_wakeup_period` 函数来设置 ULP 定时器周期值 (RTC_CNTL_ULP_CP_TIMER_1_REG)。

一旦定时器数到 ``RTC_CNTL_ULP_CP_TIMER_1_REG`` 寄存器中设置的 Tick 数，ULP RISC-V 协处理器就会启动，并调用 :cpp:func:`ulp_riscv_run` 的入口点开始运行程序。

程序保持运行，直至 ``RTC_CNTL_COCPU_CTRL_REG`` 寄存器中的 ``RTC_CNTL_COCPU_DONE`` 字段被置位或因非法处理器状态出现陷阱。一旦程序停止，ULP RISC-V 协处理器会关闭电源，定时器再次启动。

如需禁用定时器（有效防止 ULP 程序再次运行），请清除 ``RTC_CNTL_STATE0_REG`` 寄存器中的 ``RTC_CNTL_ULP_CP_SLP_TIMER_EN`` 位，此项操作可在 ULP 代码或主程序中进行。


调试 ULP RISC-V 程序
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在对 ULP RISC-V 进行编程时，若程序未按预期运行，有时很难找出的原因。因为其内核的简单性，许多标准的调试方法如 JTAG 或 ``printf`` 无法使用。

以下方法可以帮助您调试 ULP RISC-V 程序：

 * 通过共享变量查看程序状态：如 :ref:`ulp-riscv-access-variables` 中所述，主 CPU 以及 ULP 内核都可以轻松访问 RTC 内存中的全局变量。通过 ULP 向该变量中写入状态信息，然后通过主 CPU 读取状态信息，可帮助您了解 ULP 内核的状态。该方法的缺点在于它要求主 CPU 一直处于唤醒状态，但现实情况可能并非如此。有时，保持主 CPU 处于唤醒状态还可能会掩盖一些问题，因为某些问题可能仅在特定电源域断电时才会出现。

 * 使用 bit-banged UART 驱动程序打印：ULP RISC-V 组件中有一个低速 bit-banged UART TX 驱动程序，可用于打印独立于主 CPU 状态的信息。有关如何使用此驱动程序的示例，请参阅 :example:`system/ulp_riscv/uart_print`。

 * 陷阱信号：ULP RISC-V 有一个硬件陷阱，将在特定条件下触发，例如非法指令。这将导致主 CPU 被 :cpp:enumerator:`ESP_SLEEP_WAKEUP_COCPU_TRAP_TRIG` 唤醒。


应用示例
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* 主处理器处于 Deep-sleep 状态时，ULP RISC-V 协处理器轮询 GPIO：:example:`system/ulp_riscv/gpio`。
* ULP RISC-V 协处理器使用 bit-banged UART 驱动程序打印: :example:`system/ulp_riscv/uart_print`.
* 主处理器处于 Deep-sleep 状态时，ULP RISC-V 协处理器读取外部温度传感器：:example:`system/ulp_riscv/ds18b20_onewire`。

API 参考
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.. include-build-file:: inc/ulp_riscv.inc