一、简介

        在ESP32的开发中，通常我们会从app_main函数中开始我们的代码开发。但是为什么是app_main呢？app_main又是从哪里被调用的？app_main之前又做了什么操作呢？今天我们就来详细分析一下。

        官方参考文档：应用程序的启动流程 - ESP32 - — ESP-IDF 编程指南 release-v5.0 文档

二、app_main

        在我们的开发中，最先接触的就是app_main。esp-idf提供的所有例程，也都是从app_main开始，就像下图这样的。

        开发者自己添加的代码，也都是从app_main函数这里开始。那我们app_main之前是什么呢？

         我们直接打开esp-idf/components/esp32/cpu_start.c。在这个文件里边，我们找到了app_main函数被调用的地方。

         这里可以看到app_main被main_task调用。显然main_task是一个任务。那再看看main_task在哪里被调用。

         这里追溯到main_task是一个被创建的任务。而这个任务是在start_cpu0_default中被调用的。同时也可以看到，在创建了mai_task之后，才启动vTaskStartScheduler。那就可以确定，start_cpu0_default就是程序最初开始执行的地方了。

        这里再看一下main_task这个任务，创建时只有任务栈大小和优先级。

         可以看到，优先级也是很低的，只比空闲任务高了一级。

         而任务栈的大小，可以看到给到了4096Byte。

        那我们再返回看一下main_task。

         可以看到，main_task任务在调用完app_main之后，就删除任务结束了。

        而start_cpu0_default是在哪里被调用呢？我们在cpu_start.c文件中只找到了这句话。 

         这句代码什么意思呢？我们继续往下看。

三、引导程序

        根据官方文档介绍，ESP32从上电到运行app_main函数中间所经历的步骤，大致上可以分为如下3个步骤：

1. 一级引导程序。该程序被固化在了ESP32内部的ROM中，它会从Flash的0x1000偏移地址处引导二级程序至RAM(IRAM&DRAM)中。
2. 二级引导程序。该程序从Flash中加载分区表和主程序镜像至内存中，主程序中包含了RAM段和通过flash高速缓存映射的只读段。
3. 应用程序启动阶段。该阶段，第二个CPU和RTOS的调度器会被启动。

        一级引导程序

        SoC复位后，PRO CPU会立即开始运行，执行复位向量代码，而APP CPU仍然保持复位状态。在启动过程中，PRO CPU会执行所有的初始化操作。APP CPU的复位状态会在应用程序启动代码的call_start_cpu0函数中失效。复位向量代码位于ESP32芯片掩膜ROM处，且不能被修改。

        复位向量调用的启动代码会根据GPIO_STRAP_REG寄存器的值来确定ESP32的启动模式，该寄存器保存着复位后bootstrap引脚的电平状态。根据不同的复位原因，程序会执行如下操作：

1. 从深度睡眠模式复位：如果RTC_CNTL_STORE6_REG寄存器的值非零，且RTC_CNTL_STORE7_REG寄存器中的RTC内存的CRC校验值有效，那么程序会使用RTC_CNTL_STORE6_REG寄存器的值作为入口地址，并立即跳转到该地址运行。如果RTC_CNTL_STORE6_REG的值为零，或RTC_CNTL_STORE7_REG中的CRC校验值无效，又或通过RTC_CNTL_STORE6_REG调用的代码返回，那么则像上电复位一样继续启动。注意：如果想从这里运行自定义的代码，可以参考 深度睡眠 文档里面介绍的深度睡眠存根机制方法。
2. 上电复位、软件SOC复位、看门狗SOC复位：检查GPIO_STRAP_REG寄存器，判断是否请求自定义启动模式，如UART下载模式。如果是，ROM会执行此自定义加载器模式。否则会像软件CPU复位一样继续启动。请参考ESP32技术规格书了解SOC启动模式以及具体执行过程。
3. 软件CPU复位、看门狗CPU复位：根据EFUSE中配置SPI FLASH，然后尝试从Flash中加载代码，这部分将会在后面详细介绍。

        注：正常启动模式下会使能RTC看门狗，因此，如果进程中断或停止，看门狗将会自动重置SOC并重复启动过程。如果strapping GPIOs已更改，则可能导致SOC陷入新的启动模式。

        二级引导程序二进制镜像会从FLASH的0x1000偏移地址处加载。如果正在使用Secure Boot，则flash的第一个4K扇区用于存储安全启动IV以及引导程序镜像的摘要，否则不使用该扇区。

        二级引导程序

        在ESP-IDF中，存放在flash的0x1000偏移地址处的二进制镜像就是二级引导程序。二级引导程序的源码可以在ESP-IDF的esp-idf/components/bootloader/subproject/main/bootloader_start.c中找到。ESP-IDF使用二级引导程序可以增加FLASH分区的灵活性（使用分区表），并且方便实现FLASH加密，安全引导和空中升级（OTA）等功能。

        当一级引导程序校验并加载完二级引导程序后，它会从二进制镜像的头部找到二级引导程序的入口点，并跳转过去运行。

        二级引导程序默认从flash的0x8000偏移地址处（可配置的值）读取分区表。可参考上一篇文章（ESP32学习四-自定义分区表_t_guest的博客-CSDN博客）。引导程序会寻找工厂分区和OTA应用程序分区。如果在分区表中找到了OTA应用程序分区，引导程序将查询otadata分区以确定应引导哪个分区。

        关于 ESP-IDF 引导程序可用的配置选项，请参考 引导加载程序 (Bootloader)。

        对于选定的分区，二级引导程序将从flash逐段读取二进制镜像：

• 对于在内部IRAM（指令RAM）或DRAM（数据RAM）中具有加载地址的段，将把数据从flash复制到它们的加载地址处。
• 对于一些加载地址位于DROM（数据存储在FLASH中）或IROM（代码从flash中运行）区域的段，通过配置flash MMU，可为从flash到加载地址提供正确的映射。

        注：二级引导程序同时为PRO CPU和APP CPU配置flash MMU，但仅使能PRO CPU的flash MMU。原因是二级引导程序代码已加载到APP CPU的高速缓存使用的内存区域中。因此使能APP CPU高速缓存的任务就交给了应用程序。

        一旦处理完所有段（即加载了代码并设置了flash MMU），二级引导程序将验证应用程序的完整性，并从二进制镜像文件的头部寻找入口地址，然后跳转到该地址处运行。

        总结

        简单，总结一下：

• 一级引导程序是固化在ROM中的。从flash的0x1000偏移地址处加载boot程序。
• 二级引导程序，就是bootloader程序，从flash的0x8000处加载分区表。根据分区表运行应用程序。
• bootloader程序在esp-idf/components/bootloader/subproject/main/bootloader_start.c文件中。

四、应用程序

        端口初始化

        ESP-IDF应用程序的入口是esp-idf/components/esp_32/cpu_star.c文件中的call_start_cpu0函数。这个函数由二级引导加载程序执行，并且从不返回。

        该端口层的初始化功能会初始化基本的C运行环境（“CRT”），并针对SOC的内部硬件进行了初始配置。

• 为应用程序重新配置CPU异常（运行应用程序中断处理程序运行，并使用为应用程序配置的选项来处理严重错误，并不是使用ROM提供的简易版错误处理程序处理）。
• 如果没有设置选型CONFIG_BOOTLOADER_WDT_ENABLE，则不使能RTC看门狗定时器
• 初始化内部存储器（数据和bss）
• 完成MMU高速缓存配置
• 如果配置了PSRM，则使能PSRAM
• 将CPU时钟设置为项目配置的频率
• 根据应用程序头部设置重新配置主SPI FLASH，这是为了与ESP-IDF V4.0之前的引导程序版本兼容。
• 如果应用程序被配置为在多个内核上运行，则启动另一个内核并等待其初始化（在类似的“端口层”初始化函数call_start_cpu1）

        call_start_cpu0完成运行后，将调用在同一文件下的初始化函数start_cpu0。

         系统初始化

        默认情况下，start_cpu0与start_cpu0_default函数弱链接。这意味着可以覆盖这个函数，增加一些额外的初始化步骤。

         主要的系统初始化阶段包括：

• 如果默认的日志级别允许，则记录该应用程序的相关信息（项目名称、应用程序版本）等
• 初始化堆分配器（在这之前，所有分配必须是静态的或在堆栈上）
• 初始化newlib组件的系统个调用和时间函数
• 配置断电检测器
• 根据串行控制台配置设置libc stdin、stdout和stderr。
• 执行与安全相关的检查，包括为该配置烧录efuse（包括禁用ESP32 V3的ROM下载模式、CONFIG_ESP32_DISABLE_BASIC_ROM_CONSOLE）.
• 初始化SPI flash API支持
• 调用全局C++构造函数和任何标有__attribute__((constructor))的C函数。

        二级系统初始化允许单个组件被初始化。如果一个组件有一个用ESP_SYSTEM_INIT_FN宏注释的初始化函数，它将作为二级初始化的一部分被调用。

五、总结

        1.一级引导从flash的0x1000处加载bootloader程序。

        2.bootlader程序在esp-idf/components/bootloader/bootloader_start.c中。运行call_start_cpu0函数。并打印相关信息。

         3.在Bootloader中，从flash的0x8000中获取分区表，并根据分区表，找到应用程序地址，加载应用程序。

        4.在esp-idf/components/esp32/cpu_start.c中调用call_start_cpu0函数，开始应用程序的初始化，并打印相关信息。结尾调用start_cpu0函数。

         5.因为start_cpu0和start_cpu0_default为弱链接，所以接下来调用start_cpu0_default函数，任务中创建main_task任务，并且启动任务调度器。

         6.在main_task中，调用app_main函数，开始执行用户的应用程序代码。