2019-06-24 21:26:53 -04:00
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ULP 协处理器编程
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:link_to_translation:`en:[English]`
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.. toctree::
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:maxdepth: 1
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指令集参考 <ulp_instruction_set>
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使用宏进行编程（遗留） <ulp_macros>
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ULP（Ultra Low Power 超低功耗）协处理器是一种简单的有限状态机 (FSM)，可以在主处理器处于深度睡眠模式时，使用 ADC、温度传感器和外部 I2C 传感器执行测量操作。ULP 协处理器可以访问 RTC_SLOW_MEM 内存区域及 RTC_CNTL、RTC_IO、SARADC 等外设寄存器。ULP 协处理器使用 32 位固定宽度的指令，32 位内存寻址，配备 4 个 16 位通用寄存器。
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安装工具链
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ULP 协处理器代码是用汇编语言编写的，并使用 `binutils-esp32ulp 工具链`_ 进行编译。
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1. 从提供的网址中下载最新工具链的预编译二进制文件：https://github.com/espressif/binutils-esp32ulp/releases.
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2. 将工具链解压缩到一个目录中，并将工具链的 ``bin/`` 目录路径添加到 ``PATH`` 环境变量中。
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编译 ULP 代码
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若需要将 ULP 代码编译为某组件的一部分，则必须执行以下步骤：
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1. 用汇编语言编写的 ULP 代码必须导入到一个或多个 .S 扩展文件中，且这些文件必须放在组件目录中一个独立的目录中，例如 `ulp/`。
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.. note:
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该目录不要添加到 ``COMPONENT_SRCDIRS`` 环境变量中。因为 ESP-IDF 构建系统将基于文件扩展名编译在 ``COMPONENT_SRCDIRS`` 中搜索到的文件。对于 ``.S`` 文件，使用的是 ``xtensa-esp32-elf-as`` 汇编器。但这并不适用于 ULP 程序集文件，因此体现这种区别的最简单方法就是将 ULP 程序集文件放到单独的目录中。同样，ULP 程序集源文件也不应该添加到 ``COMPONENT_SRCS`` 中。请参考如下步骤，查看如何正确添加 ULP 程序集源文件。
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2. 修改组件 CMakeLists.txt，添加必要的 ULP CMake 定义，示例如下::
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set(ULP_APP_NAME ulp_${COMPONENT_NAME})
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set(ULP_S_SOURCES ulp/ulp_assembly_source_file.S)
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set(ULP_EXP_DEP_SRCS "ulp_c_source_file.c")
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include(${IDF_PATH}/components/ulp/component_ulp_common.cmake)
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代码解释如下：
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``set(ULP_APP_NAME ulp_${COMPONENT_NAME})``
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为生成的 ULP 应用程序设置名称，不带扩展名。此名称用于 ULP 应用程序的构建输出：ELF 文件、.map 文件、二进制文件、生成的头文件和链接器导出文件。
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``set(ULP_S_SOURCES "ulp/ulp_assembly_source_file_1.S ulp/ulp_assembly_source_file_2.S")``
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设置要传递给 ULP 汇编器的程序集文件列表，用空格隔开，路径可以是绝对路径，也可以是组件 CMakeLists.txt 的相对路径。
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``set(ULP_EXP_DEP_SRCS "ulp_c_source_file_1.c ulp_c_source_file_2.c")``
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设置组件中源文件名称的列表。所有包含被生成的头文件的原文件都必须在列表里。此列表建立正确构建依赖项，并确保在构建过程会先生成才编译包含头文件的原文件。请参考下文，查看为 ULP 应用程序生成的头文件等相关概念。此列表需要用空格隔开，路径可以是组件 CMakeLists.txt 文件的相对路径，也可以是绝对路径。
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``include(${IDF_PATH}/components/ulp/component_ulp_common.cmake)``
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包含 ULP 编译步骤的通用定义。使用 ULP 工具链为 ULP 目标文件、ELF 文件、二进制文件等设置编译规则。
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3. 使用常规方法（例如 `idf.py app`）编译应用程序
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在内部，编译系统将按照以下步骤编译 ULP 程序：
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1. **通过 C 预处理器运行每个程序集文件 (foo.S)。** 此步骤在组件编译目录中生成预处理的程序集文件 (foo.ulp.S)，同时生成依赖文件 (foo.ulp.d)。
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2. **通过汇编器运行预处理过的汇编源码。** 此步骤会生成目标文件 (foo.ulp.o) 和清单 (foo.ulp.lst)。清单文件仅用于调试，不用于编译进程的后续步骤。
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3. **通过 C 预处理器运行链接器脚本模板。** 模板位于 components/ulp/ld 目录中。
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4. **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 (ulp_app_name.map) 默认用于调试。
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5. **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。
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6. **使用 esp32ulp-elf-nm 在 ELF 文件中生成全局符号列表** (ulp_app_name.sym)。
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7. **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。
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8. **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。**
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访问 ULP 程序变量
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在 ULP 程序中定义的全局符号也可以在主程序中使用。
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例如，ULP 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::
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.global measurement_count
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measurement_count: .long 0
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/* later, use measurement_count */
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move r3, measurement_count
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ld r3, r3, 0
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主程序需要在启动 ULP 程序之前初始化 ``measurement_count`` 变量，编译系统生成 ``${ULP_APP_NAME}.h`` 和 ``${ULP_APP_NAME}.ld`` 文件可以实现上述操作，这些文件在 ULP 编程中定义了全局符号，包含了在 ULP 程序中定义的所有全局符号，前缀为 ``ulp_``。
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头文件包含对此类符号的声明::
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extern uint32_t ulp_measurement_count;
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注意，所有符号（包括变量、数组、函数）均被声明为 ``uint32_t``。对于函数和数组，先获取符号地址，然后转换为适当的类型。
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生成的链接器脚本文件定义了 RTC_SLOW_MEM 中的符号位置::
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PROVIDE ( ulp_measurement_count = 0x50000060 );
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如果要从主程序访问 ULP 程序变量，先包含生成的头文件，并使用上述变量，操作如下::
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#include "ulp_app_name.h"
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// later
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void init_ulp_vars() {
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ulp_measurement_count = 64;
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}
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注意，ULP 程序在 RTC 内存中只能使用 32 位字的低 16 位，因为寄存器是 16 位的，并且不具备从字的高位加载的指令。
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同样，ULP 储存指令将寄存器值写入 32 位字的低 16 位中。高 16 位写入的值取决于储存指令的地址，因此在读取 ULP 写的变量时，主应用程序需要屏蔽高 16 位，例如::
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printf("Last measurement value: %d\n", ulp_last_measurement & UINT16_MAX);
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启动 ULP 程序
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要运行 ULP 程序，主应用程序需要调用 ``ulp_load_binary`` 函数将 ULP 程序加载到 RTC 内存中，然后调用 ``ulp_run`` 函数，启动 ULP 程序。
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注意，在 menuconfig 中必须启用 "Enable Ultra Low Power (ULP) Coprocessor" 选项，以便为 ULP 预留内存。"RTC slow memory reserved for coprocessor" 选项设置的值必须足够储存 ULP 代码和数据。如果应用程序组件包含多个 ULP 程序，则 RTC 内存必须足以容纳最大的程序。
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每个 ULP 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``）::
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extern const uint8_t bin_start[] asm("_binary_ulp_app_name_bin_start");
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extern const uint8_t bin_end[] asm("_binary_ulp_app_name_bin_end");
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void start_ulp_program() {
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ESP_ERROR_CHECK( ulp_load_binary(
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0 /* load address, set to 0 when using default linker scripts */,
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bin_start,
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(bin_end - bin_start) / sizeof(uint32_t)) );
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}
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.. doxygenfunction:: ulp_load_binary
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一旦上述程序加载到 RTC 内存后，应用程序即可启动此程序，并将入口点的地址传递给 ``ulp_run`` 函数::
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ESP_ERROR_CHECK( ulp_run(&ulp_entry - RTC_SLOW_MEM) );
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.. doxygenfunction:: ulp_run
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上述生成的头文件 ``${ULP_APP_NAME}.h`` 声明了入口点符号。在 ULP 应用程序的汇编源代码中，此符号必须标记为 ``.global``::
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.global entry
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entry:
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/* code starts here */
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ULP 程序流
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ULP 协处理器由定时器启动，而调用 ``ulp_run`` 则可启动此定时器。定时器为 RTC_SLOW_CLK 的 Tick 事件计数（默认情况下，Tick 由内部 150 KHz 晶振器生成）。使用 ``SENS_ULP_CP_SLEEP_CYCx_REG`` 寄存器 (x = 0..4) 设置 Tick 数值。第一次启动 ULP 时，使用 ``SENS_ULP_CP_SLEEP_CYC0_REG`` 设置定时器 Tick 数值，之后，ULP 程序可以使用 ``sleep`` 指令来另外选择 ``SENS_ULP_CP_SLEEP_CYCx_REG`` 寄存器。
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此应用程序可以调用 ``ulp_set_wakeup_period`` 函数来设置 ULP 定时器周期值 (SENS_ULP_CP_SLEEP_CYCx_REG, x = 0..4)。
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.. doxygenfunction:: ulp_set_wakeup_period
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一旦定时器达到在所选的 ``SENS_ULP_CP_SLEEP_CYCx_REG`` 寄存器中设置的数值，ULP 协处理器就会启动，并调用 ``ulp_run`` 的入口点开始运行程序。
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程序保持运行，直到遇到 ``halt`` 指令或非法指令。一旦程序停止，ULP 协处理器电源关闭，定时器再次启动。
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如果想禁用定时器（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，可在 ULP 代码或主程序中进行以上操作。
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.. _binutils-esp32ulp 工具链: https://github.com/espressif/binutils-esp32ulp
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