本博文内容导读📕🎉🔥

1、ESP32芯片和系统架构进行描述，给出ESP32系统的地址映射规则。 

2、介绍ESP32复位及时钟定时具体功能，方便后续开发。

3、介绍基于ESP32开发板使用的底层操作系统，对ESP32应用程序开发过程中使用的API进行总结。

🔥🔥🔥 ESP32系统

ESP32芯片有QFN 5*5和QFN6*6两种封装类型，其中QFN6*6如图所示。引脚的名称及功能，包括模拟类、VDD3P3_RTC、VDD_SDIO和VDD3P3_CPU。其中，P代表电源，I/O分别代表输入/输出。

🔥🔥🔥ESP32系统架构

系统架构概述 所有的片上存储器、片外存储器以及外设都分布在两个CPU的数据总线/或指令总线上,除个别情况外，两个CPU的地址映射呈对称结构，即使用相同的地址访问同一目标。系统中多个外设能够通过DMA访问片上存储器。两个CPU的名称分别是“PRO_CPU”和“APP_CPU”。PRO代表协议，APP代表应用。在大多数情况下，两个CPU的功能是相同的。

7级流水线架构，支持高达240MHz的时钟频率（除ESP32-S0WD，ESP32-D2WD和ESP32-U4WDH为160MHz）；16/24位指令集提供高代码密度；支持浮点单元；支持DSP指令，例如，32位乘法器、32位除法器和40位累加乘法器；支持来自约70个中断源的32个中断向量。

 片上存储器功能      

328KB DMA地址空间；448KB 片内ROM；520KB片内SRAM；8KB RTC快速存储；8KB RTC慢速存储。 片外存储器功能     片外SPI存储器可作为片外存储器被映射到可用的地址空间。部分片上存储器可用作片外存储器的Cache；最大支持16MB片外Flash；最大支持8MB片外SRAM；外设包括41个模块，DMA包括13个模块。

🔥🔥🔥地址映射

同构双核系统由两个哈佛结构Xtensa LX6 CPU构成，每个CPU都具有4GB（32位）的地址空间，两个CPU的地址映射是对称的。

CPU的数据总线与指令总线都为小端序。字节地址0x0、0x1、0x2、0x3访问的字节分别是0x0访问的32位字中的最低、次低、次高、最高字节。CPU可以通过数据总线按照字节、半字、字进行对齐与非对齐的数据访问。

CPU可以通过指令总线进行数据访问，但必须是字对齐方式；非对齐数据访问会导致CPU工作异常。 两个CPU都能够使用数据总线与指令总线直接访问片上存储器、Cache和MMU直接访问映射到地址空间的片外存储器、指令总线直接访问外设。当两个CPU访问同一目标时，其使用相同的地址，整个系统的地址映射呈对称结构。

 🔥🔥1.片上存储器      

片上存储器分为片上ROM、片上SRAM、RTC快速存储、RTC慢速存储四部分，其容量分别为448KB、520KB、8KB、8KB。其中，448KB片上ROM分为384KB片上ROM0、64KB片上ROM1两部分；520KB片上SRAM分为192KB片上SRAM0、128KB片上SRAM1、200KB片上SRAM2三部分。RTC快速存储与RTC慢速存储都是SRAM。

🔥🔥2.DMA模块

DMA功能模块有13个，包括：UART0 、UART1 、UART2、SPI1 、SPI2 、SPI3、I2S0、I2S1、SDIO Slave、SDMMC、EMAC、BT、WiFi。    

🔥🔥3.片外存储器

ESP32将片外Flash与片外SRAM作为片外存储器。通过缓存与内存管理单元所能访问的片外存储器，缓存根据内存管理单元中的设置把CPU的地址变换为片外Flash与片外SRAM的实地址。经过变换之后的实地址最大支持16MB的片外Flash与8MB的片外SRAM。

🔥🔥4. 缓存

ESP32的2个CPU各有一组大小为32KB的缓存，用以访问外部存储器。PRO_CPU和APP_CPU分别使用DPORT_PRO_CACHE_CTRL_REG的PRO_CACHE_ENABLE位和DPORT_APP_CACHE_CTRL_REG的APP_CACHE_ENABLE 位使能缓存功能。

🔥🔥🔥ESP32复位及时钟定时

系统时钟 ESP32提供多种不同频率的时钟选择，可以灵活的配置CPU、外设及RTC的工作频率，以满足不同功耗和性能需求。ESP32的时钟源分别来自外部晶振、内部PLL或震荡电路。

🔥🔥1.时钟源

（1）快速时钟主要包括PLL_CLK、320MHz或480MHz内部PLL时钟；XTL_CLK，2～40MHz外部晶振时钟。

（2）低功耗慢速时钟主要包括XTL32K_CLK，32KHz外部晶振时钟；RTC8M_CLK，8MHz内部时钟，频率可调；RTC8M_D256_CLK由RTC8M_CLK经256分频所得，频率为（RTC8M_CLK/256），当 RTC8M_CLK的初始频率为8MHz时，该时钟以31.250KHz频率运行；RTC_CLK，150KHz 内部低功耗时钟，频率可调。

（3）音频时钟，APLL_CLK，16~28MHz内部AudioPLL时钟。

🔥🔥2.CPU时钟

CPU_CLK为CPU主时钟，它在高效工作模式下，主频可以达到240MHz。同时，CPU能够在超低频下工作，以减少功耗。CPU_CLK由RTC_CNTL_SOC_CLK_SEL选择时钟源，允许选择PLL_CLK、APLL_CLK、RTC8M_CLK、XTL_CLK作为CPU_CLK的时钟源。

🔥🔥3.外设时钟

外设需要的时钟包括：APB_CLK、REF_TICK、LEDC_SCLK、APLL_CLK和PLL_D2_CLK。        APB_CLK由CPU_CLK产生，分频系数由CPU_CLK源决定。        

REF_TICK由APB_CLK分频产生，分频值由APB_CLK源和CPU_CLK源共同决定。用户通过配置合理分频系数，可以保证REF_TICK在APB_CLK 切换时维持频率不变。      

 LEDC_SCLK时钟源由寄存器 LEDC_APB_CLK_SEL决定。        

APLL_CLK 来自内部 PLL_CLK，其输出频率通过使用APLL寄存器来配置。      

 PLL_D2_CLK是PLL_CLK的二分频时钟。

一般情况下，大多数外设一般在选择PLL_CLK时钟源的情况下工作。若频率发生变化，外设需要通过修改配置才能以同样的频率工作。接入REF_TICK外设允许在切换时钟源的情况下，不修改外设配置即可工作。

🔥🔥4.WiFi和BT时钟

WiFi和BT必须在APB_CLK时钟源选择PLL_CLK下才能工作。只有当WiFi和BT同时进入低功耗模式时，才能暂时关闭PLL_CLK。LOW_POWER_CLK允许选择RTC_CLK、SLOW_CLK、RTC8M_CLK或XTL_CLK，用于WiFi和BT的低功耗模式。

🔥🔥5.RTC时钟

SLOW_CLK和FAST_CLK的时钟源为低频时钟。RTC模块能够在大多数时钟源关闭的状态下工作。SLOW_CLK 允许选择RTC_CLK、XTL32K_CLK或RTC8M_D256_CLK，用于驱动电源管理模块。FAST_CLK允许选择XTL_CLK的分频时钟或RTC8M_CLK，用于驱动片上传感器模块。

🔥🔥6.音频PLL

音频和其他对于数据传输时效性要求很高的应用都需要高度可配置、低抖动并且精确的时钟源。来自系统时钟的时钟源可能会携带抖动，并且不支持高精度的时钟频率配置。

🔥🔥🔥ESP32系统定时器

🔥🔥1.64bit通用定时器

芯片内置4个64位通用定时器，具有16位分频器和64位可自动重载的向上/向下计时器。定时器特性：16位时钟分频器，分频系数为2~65536；64位计时器；计时器方向可配置：递增或递减；软件控制计数暂停和继续；定时器超时自动重载；软件控制的即时重载；电平触发中断和边沿触发中断。

🔥🔥2.看门狗定时器

芯片中有3个看门狗定时器：2个定时器模块中各有1个（称作主看门狗定时器，即MWDT），RTC模块中也有1个（称作RTC看门狗定时器，即 RWDT）。意外的软件或硬件问题会导致应用程序工作失常，而看门狗定时器可以帮助系统从中恢复。如果当前程序运行超过预定时间，但没有喂狗或关闭看门狗定时器，可能引发以下动作包括：中断、CPU复位、内核复位和系统复位。其中，只有RWDT能够触发系统复位，复位包括RTC在内的整个芯片，每个阶段的超时时间长度均可单独设置。

🔥🔥🔥FreeRTOS

🔥🔥单任务与多任务系统区别

在没有操作系统的情况下，嵌入式系统中主函数是通过不断循环完成所有任务处理的，当然也可以通过中断完成一些任务处理，一般称之为单任务系统，也称为前后台系统，中断服务函数作为前台程序，主函数不断循环作为后台程序。目前嵌入式系统的发展，已经进入多任务的处理阶段，需要解决不同任务之间的关系和时序问题。FreeRTOS是一个抢占式的实时多任务系统，它将系统分为多个任务处理，根据每个任务的属性，由调度器进行安排时间进行执行，实现了多任务的协调处理。            

 🔥🔥🔥FreeRTOS任务状态

🔥🔥 1.运行态。

当一个任务正在运行时，那么就说这个任务处于运行态，处于运行态的任务就是当前正在使用处理器的任务。如果使用的是单核处理器的话，那么不管在任何时刻永远都只有一个任务处于运行态。

🔥🔥2.就绪态。

处于就绪态的任务是那些已经准备就绪(这些任务没有被阻塞或者挂起)，可以运行的任务,但是处于就绪态的任务还没有运行，因为有一个同优先级或者更高优先级的任务正在运行!

🔥🔥3.阻塞态。

如果一个任务当前正在等待某个外部事件的话，它处于阻塞态，例如，某个任务调用了函数vTaskDelay()的话，会进入阻塞态，直到延时周期完成。任务在等待队列、信号量、事件组、通知或互斥信号量的时候也会进入阻塞态。任务进入阻塞态会有一个超时时间，当超过这个超时时间任务就会退出阻塞态，即使所等待的事件还没有来临!

🔥🔥4.挂起态。

像阻塞态一样，任务进入挂起态以后也不能被调度器调用进入运行态，但是进入挂起态的任务没有超时时间。任务进入和退出挂起态通过调用函数vTaskSuspend()和xTaskResume()。

🔥🔥🔥FreeRTOS任务构成

🔥🔥1.任务定义

在单任务系统中，系统的主体就是主函数里面顺序执行的无限循环，在无限循环里面CPU按照顺序完成各种事情。在多任务系统中，根据功能的不同，把整个系统分割成一个个独立的函数，这个函数称为任务。任务（task）,是抽象的东西，并没有一个严格的定义，一般是指由软件完成的一个活动，对于freeRTOS的系统，任务即线程/进程。

🔥🔥2.任务控制

FreeRTOS的任务属性需要存储，这些属性集合到一起，以任务控制块结构体表示，在函数xTaskCreate()创建任务时，会自动给每个任务分配任务控制块。FreeRTOS旧版本的任务控制块叫作tskTCB，新版本重命名为TCB_t。

🔥🔥3.任务堆栈

FreeRTOS要正确恢复任务的运行，离不开任务堆栈，任务调度器在进行任务切换时，将当前任务现场(CPU寄存器值等)保存在任务堆栈中，下次运行任务时，用堆栈中保存的值来恢复现场，任务从上次中断的地方开始运行。

因此，创建任务需要指定堆栈，如果使用的函数xTaskCreate()创建任务(动态方法)，那么任务堆栈就会由函数xTaskCreate()自动创建。如果使用函数xTaskCreateStatic()创建任务(静态方法)，需要程序员自行定义任务堆栈，然后将堆栈首地址作为参数传递给函数。

 🔥🔥🔥FreeRTOS相关API

🔥🔥1.任务相关API

xTaxkCreate()

xTaskCreateStatic()

xTaskCreateRestricted()

vTaskDelete()

🔥🔥2.时间相关API

vTaskDelay()

vTaskDelayUntil()

🔥🔥3.队列相关API

xQueueCreate()

xQueueSend()、xQueueSendToBack()和xQueueSendToFront()

xQueueSendFromISR()、xQueueSendToBackFromISR()和xQueueSendToFrontFromISR()