ESP32-CAM 簡介

目錄

• ESP32-CAM 簡介
  • ESP32-CAM特性
  • ESP32-CAM系統架構
  • ESP32 啓動流程
  • 參考資料

本次使用的是 ESP32-CAM 設備，它是安信可科技發佈小尺寸的攝像頭模組。該模塊可以作為最小系統獨立工作，尺寸僅為 27x40.5x4.5 mm，可廣泛應用於各種物聯網場合，適用於家庭智能設備、工業無線控制、無線監控、QR無線識別，無線定位系統信號以及其它物聯網應用，是物聯網應用的理想解決方案。

ESP32-CAM特性

• 基於 ESP32-S 系列，處理器是 ESP32-D0WD
• 採用低功耗雙核 32 位 CPU，可作應用處理器
• 體積超小的 802.11b/g/n Wi-Fi + BT/BLE SoC模塊
• 主頻高達 240MHz，運算能力高達 600 DMIPS
• 內置 520 KB SRAM，外置 8MB PSRAM
• 支持 UART/SPI/I2C/PWM/ADC/DAC 等接口
• 支持 OV2640 和 OV7670 攝像頭，內置閃光燈
• 支持圖片 WiFI 上傳
• 支持 TF 卡
• 支持多種休眠模式。
• 內嵌 Lwip 和 FreeRTOS
• 支持 STA/AP/STA+AP 工作模式
• 支持 Smart Config/AirKiss 一鍵配網
• 支持串口本地升級和遠程固件升級（FOTA）

圖 1. ESP32-CAM 管腳定義

順道提一下 ESP32-CAM 所使用的單晶片是來自於 ESP32 這一系列的低成本，低功耗的單晶片微控制器，整合了 Wi-Fi 和雙模藍牙。 ESP32 系列採用 Tensilica Xtensa LX 6微處理器，包括雙核心和單核變體，內建天線開關，RF變換器，功率放大器，低雜訊接收放大器，濾波器和電源管理模組。

ESP32 由總部位於上海的中國公司樂鑫信息科技創建和開發，由台積電採用40奈米技術製造。它是 ESP8266 微控制器的後繼產品。而以 ESP32 晶片有製作出多個系列的模塊，分別是 ESP32-S 系列、ESP32-C 系列與ESP32 系列。

而 ESP32 模組還可以細分成以下幾個子系列：

• ESP32-WROOM 系列模組基於 ESP32-D0WD 雙核晶片設計，適用於基於 Wi-Fi 和藍牙連接的應用場景，具備強大的雙核性能。
• ESP32-WROVER 系列模組基於 ESP32-D0WD 雙核晶片設計，其強大的雙核性能適用於對記憶體需求大的應用場景，例如多樣的 AIoT 應用和網關應用。
• ESP32-MINI 系列模組基於 ESP32-U4WDH 單核晶片設計， 為基於 Wi-Fi 和藍牙連接的應用提供了高性價比的解決方案。

上面所提到的 ESP32-D0WD 晶片的描述是：

ESP32-CAM系統架構

因為 ESP32-CAM 內核是 ESP32-S，以下所有的說明來自 ESP32 技術參考手冊。 ESP32 是一個雙核系統，具有兩個哈佛架構(Harvard Architecture) Xtensa LX6 CPU。所有嵌入式記憶體(embedded memory)，外部記憶體(external memory)和外圍設備(peripherals)位於這些 CPU 的資料總線和/或指令總線上。

兩個 CPU 的地址映射是對稱的，這意味著它們使用相同的地址訪問相同的記憶體。系統中的多個外設可以通過 DMA (Direct Memory Access 直接記憶體存取，以下簡稱 DMA) 訪問嵌入式記憶體。

這兩個 CPU 被命名為 「PRO_CPU」 和 「APP_CPU」（分別代表「協議(Protocol)」和「應用程序(Application)」），但是，對於大多數用途而言，這兩個 CPU 是可以互換的。

地址空間

• 對稱地址映射
• 4 GB（32 位）地址空間用於資料總線和指令總線
• 1296 KB 嵌入式記憶體地址空間
• 19704 KB 外部記憶體地址空間
• 512 KB 外設地址空間
• 一些嵌入式和外部記憶體區域可以通過資料總線或指令總線訪問
• 328 KB DMA 地址空間

嵌入式記憶體

• 448 KB 內部 ROM
• 520 KB 內部 SRAM
• 8 KB RTC (Real-Time Clock 實時時鐘, 以下簡稱 RTC) 快速記憶體
• 8 KB RTC 慢記憶體

外部記憶體
片外(off-Chip) SPI (Serial Peripheral Interface串行外設接口, 以下簡稱 SPI）存儲器可以映射到可用地址空間作為外部記憶體。部分的嵌入式記憶體可用作該外部記憶體的透明緩存。

• 支持高達 16 MB 的 off-Chip SPI 閃存 (Flash)。
• 支持高達 8 MB 的 off-Chip SPI SRAM (PSRAM)。

外圍設備

• 41 個外設 (Peripherals)

直接存取

• 13 個模塊能夠進行 DMA 操作

常用存儲器的介紹：

• 資料易失性的存儲器：這類存儲器讀寫速度較快，但是掉電後資料會丟失，在 SoC 設計中通常被用作資料緩存、程序緩存。常見的是隨機存取存儲器 (Random Access Memory, 以下簡稱 RAM) ，常見的種類有 DRAM (Dynamic RAM，動態 RAM)－需要實時刷新來保持資料，價格便宜，一般用於大容量產品；SRAM (Static RAM，靜態RAM) －不需要刷新。速度快，面積大。；
• 資料非易失性存儲器 (Non-Volatile Memory)：這類存儲器讀寫速度比較慢，但是在掉電後資料不會丟失。因此，在 SoC 設計中可用作大資料的存儲或者固件程序的存儲。如 NAND/NOR flash，NOR flash 屬於是可以隨機訪問的，是屬於非易失性隨機訪問存儲器 (Non-Volatile Random Access Memory, 以下簡稱 NVRAM）；NAND flash 屬於順序訪問 （sequential access)。
• 新出現的存儲器 PSRAM(pseudo SRAM)，稱之為偽靜態隨機存取器。它具有 SRAM 的接口協議，但是它的內核架構卻是 DRAM 架構；相較於傳統的 SRAM ， PSRAM 可以實現較大的存儲容量；

下圖是 ESP32 系統架構圖，PRO_CPU 和 APP_CPU 面對的是相同的地址空間，可以直接讀取嵌入式記憶體與外圍設備地址，而對於外部記憶體空間，需要透過快取 (Cache) 與記憶體管理單元 (Memory Management Unit, 以下簡稱 MMU) 才能進行存取。

圖 2. ESP32 系統架構

圖 3. ESP32 系統地址對應圖

圖 4. ESP32 系統地址對應表格

ESP32 啓動流程

ESP32 從上電到執行 Micropython 中間所經歷的啓動流程步驟。

宏觀上，啓動流程可以分為如下 3 個步驟：

1. 一級引導程序被寫死在了 ESP32 內部的 ROM 中，它會從 flash 的 0x1000 地址處加載二級引導程序至 RAM (IRAM & DRAM) 中。
2. 二級引導程序從 flash 中加載分區表和主程序鏡像至記憶體中，主程序中包含了 RAM 段和通過 flash 高速緩存映射的只讀段。
3. 應用程序 啓動階段執行，這時第二個 CPU (APP_CPU) 和 RTOS (PRO_CPU) 的調度器啓動。

一級引導程序
ESP32 SoC (System on a Chip, 簡稱SoC)復位(reset)後，PRO_CPU 會立即開始執行，執行復位向量代碼，而 APP_CPU 仍然保持復位狀態。在啓動過程中，PRO_CPU 會執行所有的初始化操作。APP_CPU 的復位狀態會在應用程序啓動代碼的 call_start_cpu0 函數中失效。復位向量代碼位於 ESP32 的 ROM 裡，所以不能被修改。二級引導程序二進制鏡像會從 flash 的 0x1000 地址處加載。

二級引導程序
ESP-IDF (Espressif IoT Development Framework, 以下簡稱 ESP-IDF) 是樂鑫官方推出的物聯網開發框架，支持 Windows、Linux 和 macOS 作業系統。
下表總結了樂鑫晶片在 ESP-IDF 各版本中的支持狀態，其中 supported 代表已支持，preview 代表目前處於預覽支持狀態。預覽支持狀態通常有時間限制，而且僅適用於測試版晶片。請確保使用與晶片相匹配的 ESP-IDF 版本。

表 1. ESP-IDF 各版本中的支持狀態

使用 ESP-IDF 針對 ESP32 晶片所編譯出來的二進制鏡像，透過燒錄軟體(esptool.py)燒錄到 flash 的 0x1000 偏移地址處，那個二進制鏡像就是二級引導程序。二級引導程序的源碼可以在 ESP-IDF 的 components/bootloader 目錄下找到。ESP-IDF 使用二級引導程序可以增加 flash 分區的靈活性（使用分區表），並且方便實現 flash 加密，安全引導和空中升級（Over The Air, OTA）等功能。

圖 5. ESP-IDF 的二級引導程序源碼所在

當一級引導程序校驗並加載完二級引導程序後，它會從二進制鏡像的頭部找到二級引導程序的入口點，並跳轉過去執行。二級引導程序默認從 flash 的 0x8000 偏移地址處（可配置的值）讀取分區表。引導程序會尋找工廠分區和 OTA 應用程序分區。如果在分區表中找到了 OTA 應用程序分區，引導程序將查詢 otadata 分區以確定應引導哪個分區。

應用程序
應用程序啓動包含了從應用程序開始執行到 app_main 函數在主任務內部執行前的所有過程。可分為三個階段：

1. 端口初始化：端口層的初始化功能會初始化基本的 C 執行環境，並對 SoC 的內部硬件進行了初始配置。

   • 為應用程序重新配置 CPU 異常。
   • 初始化內部存儲器。
   • 完成 MMU 高速緩存配置。
   • 如果配置了 PSRAM，則使能 PSRAM。
   • 將 CPU 時鐘設置為項目配置的頻率。
   • 根據應用程序頭部設置重新配置主 SPI flash，這是為了與 ESP-IDF V4.0 之前的引導程序版本兼容。
   • 如果應用程序被配置為在多個內核上執行，則啓動另一個內核 (APP_CPU) 並等待其初始化

2. 系統初始化：主要的系統初始化任務包括以下

   • 如果默認的日誌級別允許，則記錄該應用程序的相關信息。
   • 初始化堆分配器。
   • 初始化 newlib 組件的系統調用和時間函數。
   • 配置斷電檢測器。
   • 根據 串行控制台配置 設置 libc stdin、stdout、和 stderr。
   • 執行與安全有關的檢查。
   • 初始化 SPI flash API 支持。
   • 調用全局 C++ 構造函數和任何標有 __attribute__((constructor)) 的 C 函數。

3. 執行主任務：在所有其他組件都初始化後，主任務會被創建，FreeRTOS 調度器開始執行。做完一些初始化任務後，主任務在固件中執行應用程序提供的函數 app_main。

APP CPU 的內核啓動流程
當執行系統初始化時，PRO_CPU 上的代碼會給 APP_CPU 設置好入口地址，解除其復位狀態，然後等待 APP_CPU 上執行的代碼設置一個全局標誌，以表明 APP_CPU 已經正常啓動。

參考資料

• ESP32，https://zh.wikipedia.org/zh-hans/ESP32
• ESP32 系列模組，https://www.espressif.com/zh-hans/products/modules/esp32
• ESP32-CAM 攝像頭開發板，https://docs.ai-thinker.com/攝像頭開發板_esp32-cam
• ESP32-CAM 模組，https://docs.ai-thinker.com/_media/esp32/docs/esp32-cam_product_specification_zh.pdf
• ESP32-CAM, Camera Module Based on ESP32，https://www.waveshare.com/ESP32-CAM.htm
• ESP32 系列晶片分類，https://blog.csdn.net/dalangtaosha2011/article/details/83106191
• ESP32晶片和模組的硬件差異與選型，ESP32-WROOM-32、ESP32-WROVER和ESP32-S衍生模組選型，https://blog.csdn.net/Mark_md/article/details/120576979
• Arm Cortex-M vs ESP32: Which is More Efficient?, https://www.youtube.com/watch?v=XJawv8xGtX4
• Tensilica最新處理器, https://www.cadence.com/zh_CN/home/company/newsroom/press-releases/pr-cn/2015/tensilica75-2015-01-12.html
• ESP32 技術參考手冊, https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32_technical_reference_manual_cn.pdf
• ESP32 Technical Reference Manual，https://www.espressif.com/sites/default/files/documentation/esp32_technical_reference_manual_en.pdf
• Xtensa LX6 Customizable DPU, https://mirrobo.ru/wp-content/uploads/2016/11/Cadence_Tensillica_Xtensa_LX6_ds.pdf
• ESP32 系列模組，https://www.espressif.com/zh-hans/products/modules/esp32
• 常用存儲器(SRAM、DRAM、NVRAM、PSRAM)簡單介紹, https://blog.csdn.net/houxiaoni01/article/details/124152941
• RTC喚醒是什麼意思？如何操作？, https://zhidao.baidu.com/question/1900179422888970220.html
• 應用程序的啓動流程，https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/zh_CN/latest/esp32/api-guides/startup.html
• Espressif IoT Development Framework, https://github.com/espressif/esp-idf
• FreeRTOS, https://github.com/FreeRTOS/FreeRTOS