理解Zephyr在一款soc上的啟動流程，有利于分析和調(diào)試開機過程卡死，驅(qū)動異常等的問題。因此在上手一款新的soc時掌握Zephyr在其上面的啟動流程非常必要。本文對Zephyr在ESP32上的啟動流程進行分析，說明ESP32從上電開始如何執(zhí)行到Zephyr應(yīng)用的main函數(shù)。

Zephyr支持兩種ESP32引導(dǎo)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，在該流程理解另一種也類似，在CONFIG_BOOTLOADER_ESP_IDF=n的情況下相當(dāng)于是在ESP32的bootloader處放了一個zephyr應(yīng)用。

ESP32下Zephyr是被當(dāng)作ESP32的APP被引導(dǎo)，因此有必要簡單了解ESP32的啟動流程

ESP32啟動階段

ESP32是雙核CPU，其中cpu0叫做PRO CPU， cpu1叫做APP CPU，啟動流程如下：

SOC上電， PRO CPU開始運行，跳到ROM 0x40000400 處復(fù)位向量代碼處執(zhí)行

在PRO CPU上運行ROM上一級引導(dǎo)代碼從Flash的0x1000讀出二級引導(dǎo)程序加載到內(nèi)部IRAM

跳轉(zhuǎn)到內(nèi)部IRAM上二級引導(dǎo)程序執(zhí)行

二級引導(dǎo)程序從 Flash 的 0x8000 偏移地址處讀取分區(qū)表， 從分區(qū)表中讀到APP的信息

二級引導(dǎo)程序?qū)ephyr數(shù)據(jù)和代碼段復(fù)制到DRAM和IRAM。對于Zephyr內(nèi)一些加載地址位于DROM和IROM區(qū)域的段，通過配置 Flash MMU 為其提供正確的映射。

二級引導(dǎo)程序會從Zephyr二進制鏡像文件的頭部尋找的入口地址，然后跳轉(zhuǎn)到該地址處運行。

以上流程中1~3是已經(jīng)被固化到ESP32的ROM中無法修改，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中執(zhí)行。

Zephyr的入口地址就是函數(shù)__start，第六步后就會跳轉(zhuǎn)到__start中執(zhí)行

Zephyr階段

Zephyr階段運行到main主要步驟：__start-》z_cstart-》bg_thread_main-》main

__start

文件位置zephyr/soc/xtensa/esp32/soc.c， 主要完成下面內(nèi)容：

搬移中斷向量表

初始化bss段

關(guān)閉中斷

確保APP CPU沒有運行（將在后面SMP初始化階段打開）

代碼摘要如下

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

{

//搬移中斷向量表

__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”）;

//關(guān)閉中斷

__asm__ __volatile__ （

“wsr %0， PS”

：

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

//關(guān)閉APP CPU

*app_cpu_config_reg &= ~DPORT_APPCPU_CLKGATE_EN;

//初始化cpu指針

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

//開始zephyr初始化

z_cstart（）;

CODE_UNREACHABLE;

}

是否發(fā)現(xiàn)跳到zephyr的__start是一個C函數(shù)，但之前Zephyr并沒有做C堆棧（SP指針）初始化？這是因為在ESP32的bootloader階段已經(jīng)做了，Zephyr無需再做。

z_cstart

主要完成kernel初始化，PRE_KERNEL_1和PRE_KERNEL_2級別的驅(qū)動初始化，然后啟動main thread：bg_thread_main，剩下的其它初始化和應(yīng)用程序的main都在bg_thread_main中。

代碼摘要如下

__boot_func

FUNC_NORETURN void z_cstart（void）

{

//架構(gòu)相關(guān)的內(nèi)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驅(qū)動，大多都是硬件相關(guān)

z_sys_init_run_level（_SYS_INIT_LEVEL_PRE_KERNEL_1）;

z_sys_init_run_level（_SYS_INIT_LEVEL_PRE_KERNEL_2）;

//創(chuàng)建并切換到main thread運行

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調(diào)度器

z_sched_init（）;

//創(chuàng)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”）;

//將main thread加入到就緒態(tài)

z_mark_thread_as_started（&z_main_thread）;

z_ready_thread（&z_main_thread）;

//為每顆CPU 創(chuàng)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被加入到就緒態(tài)，因此下一次調(diào)度時bg_thread_main就會被執(zhí)行

bg_thread_main

在bg_thread_main中完成剩余的驅(qū)動初始化，并且啟動esp32的第二顆CPU： APP CPU， 然后運行到應(yīng)用的main函數(shù)。

代碼摘要如下

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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級別驅(qū)動

z_sys_init_run_level（_SYS_INIT_LEVEL_POST_KERNEL）;

boot_banner（）;

//初始化APPLICATION級別驅(qū)動

z_sys_init_run_level（_SYS_INIT_LEVEL_APPLICATION）;

//初始化靜態(tài)聲明的thread

z_init_static_threads（）;

#ifdef CONFIG_SMP

//初始化SMP， 到這里才會啟動ESP32的另一顆CPU

z_smp_init（）;

//初始SMP級別的驅(qū)動，例如跨CPU通信的mailbox， ipm驅(qū)動

z_sys_init_run_level（_SYS_INIT_LEVEL_SMP）;

#endif

extern void main（void）;

//執(zhí)行應(yīng)用程序的main

main（）;

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

z_main_thread.base.user_options &= ~K_ESSENTIAL;

}

關(guān)于main

這里調(diào)用的main函數(shù)，是在Zephyr應(yīng)用程序中實現(xiàn)，最后通過鏈接器鏈接在一起。Zephyr應(yīng)用程序的main是在main thread中執(zhí)行，由于main thread的默認優(yōu)先級比較高0， 因此要注意不要在main中去做while（1），避免導(dǎo)致其它搶占式線程拿不到CPU。

關(guān)于SMP

從前面的分析可以看到z_smp_init前，Zephyr上包括main thread的所有代碼都是在PRO CPU上執(zhí)行，在z_smp_init后Zephyr的代碼才有機會運行到APP CPU上， SMP是一個很大的議題，不是在本文分析范圍內(nèi)。這里簡單列出esp32 SMP初始化的主要流程供參考：

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）

參考

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

編輯：jq