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[嵌入式]【ESP32-S3的开发】

初识 ESP32-S3

前言

ESP32-S3 和 ESP32 一样是一款同时支持WIFI和蓝牙功能，可以说是专为物联网而生的一款Soc，应用领域贯穿移动设备、可穿戴电子设备、智能家居等，在2,4GHz频带支持20MHz和40MHz频宽，和以往 ESP32 不一样的是，蓝牙除了支持BLE以外，目前支持 Bluetooth 5 和 Bluetooth mesh，更多的GPIO口使其能控制的外设达到更多，全速USB OTG支持直接通过USB协议与芯片进行通信

ESP32-S3外设及功能框图

一、ESP32-S3 系列芯片介绍

对于ESP各个系列的芯片介绍，官方网站提供了最详细的参考：https://www.espressif.com/zh-hans/products/socs
（以下内容以ESP32-S3为例，展开介绍）
在这里插入图片描述

1.模组命名与内置芯片对应关系

其中根据用户需要的资源或方案，可以在该网站中，选择合适的产品，以下，则是ESP32-S3芯片对应不同大小的 FLASH 和 PSRAM 进行封装的模组命名和内置芯片的对应关系
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2.芯片命名规则

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普及一下手册中讲到的 SPI、Dual SPI 和 Quad SPI

SPI：标准SPI，是一种同步串行通信协议，支持一主多从，主设备启动与从设备进行同步通信，完成数据的交换。SPI是一种高速全双工同步通信总线，标准的SPI仅使用4个引脚（信号）：CLK , CS , MOSI , MISO
Dual SPI ：一般只针对 SPI FLASH 而言（并不针对所有外设），而基于这个对象，全双工并不常用，MOSI 和 MISO 被扩展用于半双工加速数据传输，对于 Dual SPI FLASH 设备，发送一个命令字节使其进入 dual 模式，MOSI 变成 DIO0，MISO 变成 DIO1，致使一个时钟周期传输 2bit 数据
Quad SPI：同样针对 SPI FLASH ，Qual SPI 又增加了两IO（DIO2、DIO3），可以在一个时钟周期中传输 4bit 数据；

对于 SPI FLASH 而言，用于进行数据传输的模式就有以上三种类型，对应着3线、4线、6线的传输方式，而相同时钟周期下，线的数量和传输速度成正相关

以上，为什么要介绍这三种 SPI FLASH 接口呢？玩过 ESP 系列的大伙应该都知道，这是 ESP 模组封装的惯用做法，ESP32-S3 芯片内置有 512 KB SRAM（用于数据和指令存储）、384 KB ROM 存储空间（用于程序启动和内核功能调用），对于 FLASH 则支持使用外挂的形式，持多个外部 SPI、Dual SPI、 Quad SPI、Octal SPI、QPI、OPI flash 和片外 RAM

二、硬件介绍

接下来的硬件介绍 ESP32-S3-DevKitC-1 板，都基于当前官方连接：https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/zh_CN/latest/esp32s3/hw-reference/esp32s3/user-guide-devkitc-1.html
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1.板载模组外设

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这里抽（能突出板子的特点的）几个板载的模组/外设，来贴图讲解，其他包括电源、USB转串口，按键等，都和其他开发板一致，都是为了方便大家在开发过程中进行使用而被设计
具体板子和管脚的信息大家可以打开上面的网址，会查看得比较详细，或者这个PDF里，会有大家想找的管脚功能描述：（这是芯片手册，所有的管脚描述都是针对芯片而言）
https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32-s3_datasheet_cn.pdf

上面会描述各个管脚可实现的复用功能

2.硬件设计

① Strapping 管脚

这些管脚是和芯片复位状态有关的引脚，在芯片的系统复位（上电、RTC 看门狗、欠压、模拟超级看门狗、晶振时钟毛刺检测）等复位过程中，Strapping 管脚对自己电平采样并存储到锁存器，并一直保持到芯片掉电或关闭

GPIO0：决定系统启动模式（0:下载模式 | 1: SPI启动模式）
当处于GPIO0 上拉，处于SPI启动模式时，GPIO46 电平可以是任意；
当处于GPIO0 下拉，处于下载模式时，GPIO46 电平只能是低电平（GPIO46高电平不可用）；
GPIO45：是决定VDD_SPI 电压的其中一项（默认下拉），另一项是 eFuse 中 VDD_SPI_TIEH 。
eFuse 中 EFUSE_VDD_SPI_FORCE 选择决定方式：（0 : 由 GPIO45 的 strapping 值决定 | 1 : 由 eFuse 中 EFUSE_VDD_SPI_TECH 决定）
GPIO3：切换CPU内部的JTAG信号来源
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当eFuse的 EFUSE_DIS_USB_SERIAL_JTAG 和 EFUSE_DIS_USB_OTG 同时为0，ROM Code打印至 USB Serial/JTAG 控制器，否则打印至 UART，此时 GPIO46 与 EFUSE_UART_PRINT_CONTROL 一起控制 ROM code 打印：
0：上电正常打印，不受GPIO46控制
1：if ( GPIO46 == 0 ) 上电正常打印 else 上电不打印
2：if ( GPIO46 == 0 ) 上电不打印 else 上电正常打印
3：上电不打印，不受GPIO46 控制

② 上电时序要求

如果在验证电路的过程中，发现启动模式产生异常，优先使用示波器检测当前的上电 Strapping 管脚电平以及时序波形是否满足要求
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③ 设计注意事项

I. 原则上不能把 Strapping 引脚用于其他地方，否则会引起启动状态的异常
II.另外，因为模组内置的 FLASH 和 PSRAM 的缘故，占用了部分管脚，不建议使用这部分引脚，具体模组和管脚占用关系，参考下表
在这里插入图片描述
III.具体芯片管脚号和其具体功能的对应关系，参考下表

三、环境搭建

1.ESP-IDF 框架概念

ESP-IDF 是乐鑫官方的物联网开发框架，适用于 ESP32、ESP32-S 和 ESP32-C 系列 SoC
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框架内的详细组件大家可以参考：https://www.espressif.com/zh-hans/products/sdks/esp-idf

2.支持的开发工具和IDE环境

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3.环境搭建注意事项

下面先说一下环境搭建的注意事项，在如何搭建的这一部分，如果觉得说的不够详细，可以参考一下官方环境搭建教程：
https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/zh_CN/latest/esp32s3/get-started/index.html#get-started-get-prerequisites

① 推荐使用的 IDE 环境

先说一下本人，目前在 Linux 系统下，使用 GNU Make 或 CMake 构建系统对应的 ESP-IDF（其中包括ESP8266、ESP32、ESP32S3 的 esp-idf ，另外还有乐鑫音频框架 esp-adf ），而其中 esp-idf 也有几个版本，为了环境支持各个版本，能随时切换，所以选择在 Linux 系统下进行SDK下载、编译环境的单独安装，并没有选择诸如 Eclipse，VSCode 插件等 IDE。而是通过把SDK下载到不同的文件夹进行管理。
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之所以推荐这种方式，是因为它的安装和环境变量的设置方式简单，可以完全根据官方的 Linux 开发环境进行安装（下面都以UBuntu为例）https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/zh_CN/latest/esp32s3/get-started/index.html#id3
I.安装准备（首先需要下载安装 Linux 平台工具链，因为编译 ESP-IDF 需要以下软件包）

sudo apt-get install git wget flex bison gperf python3 python3-pip python3-setuptools cmake ninja-build ccache libffi-dev libssl-dev dfu-util libusb-1.0-0

II.获取ESP-IDF（做好文件夹管理好自己的SDK（选择SDK克隆路径，通过cd指令进入用户的路径））

git clone --recursive https://github.com/espressif/esp-idf.git

III.设置工具（进入对应 esp-idf 文件夹，打开终端键入）

./install.sh

可一次性为所有支持的目标芯片安装工具，当然也可以选择对单独的芯片进行安装
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IV.设置环境变量（进入对应 esp-idf 文件夹，打开终端键入）

. ./export.sh

如果经常更换SDK，可以按照当前方法进行设置↓
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vi ~/.bashrc

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想使用哪个SDK，编译不同工程的时候，可以解放注释，并把不用的SDK环境变量注释掉，最终

source ~/.bashrc

再进入相应的SDK，再次执行 III、IV操作，即可完成 SDK 切换

② 其他的 IDE 环境

其他的 IDE 环境作者接触过的 VSCode 插件，可以直接在拓展栏下搜索 esp，即可搜出
在这里插入图片描述
具体安装方法可以参考这个链接https://www.youtube.com/watch?v=Lc6ausiKvQM&feature=youtu.be

至于Eclipse下的集成开发环境，安装SDK和环境变量的设置不难，用户也可以尝试使用

③ 验证安装环境和工具

首先进入SDK提供的案例工程，设置当前硬件所使用的MCU，进行编译，当然如果你有其他的硬件配置需要更改，可以通过idf.py menuconfig 或者 make menuconfig 进行界面的配置

cd esp-idf/examples/get-started/hello_world
idf.py set-target esp32s3
idf.py build

烧录和监视串口输出可以参考文章下方的内容
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④ 依靠 example 文件夹下的内容创建自己的工程模板

拷贝example文件夹下的工程到其他文件夹，由于我们在上面已经定义好了esp-idf 的环境变量，所以最后在编译项目工程时，都会依靠项目工程下的 CMakeList 找到环境变量中的 esp-idf ，继而链接上我们的组件等等

为方便对工程文件进行查看和编辑，我们可以使用 VS Code

⑤ VS Code 工程文件配置

由于官网下载的SDK还没完善，当前所有的编译工具和调试工具等，都只支持调用 python 指令，

在VS Code环境下添加工程时（如果工程有自定义的头文件路径），会经常发生无法打开源文件 xxx.h，这是由于VSCode这个编辑器下需要安装C/C++的扩展工具，并且有指定头文件的路径，才能被索引打开。
I.首先需要安装C/C++的扩展工具
在这里插入图片描述
II.安装完成后，需要添加头文件路径以告知编辑器
此时可以通过 Ctrl+Shift+p 的快捷键，打开C/C++的文件配置系统，直接在“Json格式的配置页面中，找到includePath”键，添加项目所需要的头文件路径的键值

{
    "configurations": [
        {
            "name": "Linux",
            "includePath": [
                "${workspaceFolder}/**",
                "${workspaceFolder}/main/include",
                "${workspaceFolder}/components/LED/include",
                "${IDF_PATH}/components/esp_common/include",
                "${IDF_PATH}/components/esp_system/include",
                "${IDF_PATH}/components/esp_hw_support/include",
                "${IDF_PATH}/components/freertos/FreeRTOS-Kernel/include",
                "${IDF_PATH}/components/freertos/esp_additions/include/freertos",
                "${IDF_PATH}/components/freertos/FreeRTOS-Kernel/portable/xtensa/include",
                "${IDF_PATH}/components/xtensa/include",
                "${IDF_PATH}/components/xtensa/esp32s3/include",
                "${IDF_PATH}/components/mdns/host_test/components/esp_system_protocols_linux/include",
                "${IDF_PATH}/components/newlib/platform_include",
                "${IDF_PATH}/components/newlib/platform_include/sys",
                "${IDF_PATH}/components/heap/include",
                "${IDF_PATH}/components/esp_rom/include",
                "${IDF_PATH}/components/soc/esp32s3/include",
                "${IDF_PATH}/components/spi_flash/include",
                "${IDF_PATH}/components/esp_hw_support/include",
                "${IDF_PATH}/components/hal/include",
                "${IDF_PATH}/components/hal/esp32s3/include",
                "${IDF_PATH}/components/soc/include",
                "${IDF_PATH}/components/esp_timer/include",
                "${IDF_PATH}/components/log/include",
                "${IDF_PATH}/components/nvs_flash/include",
                "${IDF_PATH}/components/driver/include"
            ],
            "defines": [
                "__XTENSA__"
            ],
            "compilerPath": "/usr/bin/gcc",
            "cStandard": "gnu11",
            "cppStandard": "gnu++14",
            "intelliSenseMode": "linux-gcc-x64",
        }
    ],
    "version": 4
}

III.完成头文件路径的添加后，可以重启VScode，便可以定位其头文件
IV.如果曾经解决过问题，而后来又在VScode拓展中安装了CMake Tools，给项目配置了使用CMake工具时，头文件会提示：基于 configurationProvider 设置提供的信息检测到#include 有误，…，想返回以前的配置，可以通过 Ctrl+Shift+p ，把"configurationProvider": “ms-vscode.cmake-tools”，键和键值删掉，就能恢复（记得也要把上一个键值的","去掉）
在这里插入图片描述

⑥ 新项目的头文件添加方式

I.新建的部件需要在其文件目录下建立CMakeList.txt，并把其引用的源文件、头文件、esp-idf 组件等以键值形式添加至其中
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举个例子，上面我在项目下新建了 components 文件夹，并以各个板载组件区分开应用，第一个组件是LED（即新建一个LED文件夹），因为用到了 ESP32-S3-DevKitC-1 中的RGB灯，在链接工具不完善的情况下把 idf 的源文件拷贝到和 LED.c 的同一级目录下，头文件则用 include 文件夹存起来
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这里只讲移植，基于RMT是什么内容以后到系列课程再讲；
回到上面的 CMakeList.txt 的编写规则，源文件就只有两个，把它用一个 LED_SRCS 变量名代替，并且把用到的头文件也定义其他变量名，最后通过 idf_component_register 注册所有组建，因为里面用到了 idf 里的 nvs 组件，它的包含方式比较另类，大家可以先从 idf 组建的文件夹下，拷贝下来，先进行模仿学习，具体规则参考：https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/zh_CN/latest/esp32/api-guides/build-system.html#esp-idf-cmake-api

区分前面第⑦点讲的内容，是把头文件索引告诉VS Code，使它能快速帮我们定位到用户所包含的头文件，但实际上，VS Code 和编译器是完全不同的东西，我们需要通过第⑧点的操作，告知编译器我们所需要链接的内容和组件，才能实现正常编译

烧录指令

启动 idf.py 脚本，-p 指定相应USB接口，flash 执行烧录操作，默认烧录速率 460800

idf.py -p /dev/ttyUSB0 flash

另外，用户可以自定义烧录速率，只需要在 flash 参数之前，加上一项 -b ，后面跟上指定波特率

idf.py -p /dev/ttyUSB0 -b 921600 flash

监视指令

启动 idf.py 脚本，-p 指定相应的USB接口，monitor 执行监视操作，默认监视波特率 115200

idf.py -p /dev/ttyUSB0 monitor

总结

串口权限问题

如果烧录或者监视过程中遇到这种失败的错误，首先需要检查是否串口是当前的串口号，是否有串口的操作权限，可直接将串口权限设置至“可读可写可执行”最高权限
在这里插入图片描述
检查串口号这个得用户自己去做检查了，假设我这个USB设备名是ttyUSB0，设置串口操作权限可以通过以下的指令设置成最高权限，则可执行烧录和监视