ESP32 的 ULP 协处理器简介和汇编编译环境设置

[English]

本文介绍 ESP32 强大的超低功耗协处理器 (ULP co-processor)，给出汇编环境的搭建步骤。

1. ULP 协处理器简介

ULP 协处理器是一个功耗极低的协处理器设备，无论主 CPU 是处于正常运行模式还是 Deep-sleep 模式，ULP 协处理器都可以独立运行。超低功耗协处理器的补充使得 ESP32 能够胜任一些对低功耗要求较高的应用场合。

ULP 协处理器的主要特性有：

• 采用 8 MHz 频率和 8 KB 内存

• 内建 ADC 和 I2C 接口

• 支持正常模式和 Deep-sleep 模式

• 可唤醒主 CPU 或向主 CPU 发送中断

• 能够访问主 CPU 的外围设备、内部传感器及 RTC 寄存器

更多特性及介绍详见 ESP32 技术参考手册。

2. ULP 协处理器电流消耗

鉴于以上的特性，ULP 协处理器能够在消耗较低电流的情况下，完成 ADC 采样，进行 I2C Sensor 的读写，驱动 RTC GPIO 口动作，可以在某些超低功耗场景中完全替代主 CPU。

下表给出一般测得的电流数值：

场景	电流值
Deep-sleep	6 μA
Delay Nop	1.4 mA
GPIO Toggle	1.4 mA
SAR_ADC Sampling	2.3 mA

注意： 上表列出的电流消耗是在 ULP 协处理器引用 VDD3P3_RTC 工作电压，运行在 8 MHz，并且没有进入睡眠情况下测得的。当 ULP 协处理器设置为周期性的进入深度睡眠，在短时间内唤醒工作时，这些数字将会大大减少。因此，ULP 协处理器的理想工作状态是周期性唤醒，短暂工作之后，继续进入休眠状态，以短时间高效的工作和长时间的休眠换取低功耗平衡。

3. 配置 ULP 协处理器编译环境

ULP 协处理器目前只支持汇编开发，我们提供了三种不同平台（Linux，Windows，MacOS）的 ULP 协处理器编译环境的设置方法。

需说明：在安装汇编工具链之前，我们默认你已经安装和配置好 ESP32 ESP-IDF C 语言编译工具链，安装参考链接。

3.1 Linux

Linux 下配置编译环境比较简单，只需要下载汇编编译工具链，解压到安装目录中，再添加环境变量即可完成设置。 1. 下载工具链 binutils-esp32ulp toolchain Linux(x64) 2. 解压到要安装的目录,添加工具链的 bin 目录到环境变量 PATH 中。例如，解压目录是 /opt/esp32ulp-elf-binutils 那么添加 export PATH=/opt/esp32ulp-elf-binutils/bin:$PATH 这一行到 .bashrc 文件中，运行 source .bashrc 使上述环境变量生效，这样，ULP 的汇编环境就设置完毕了。

3.2 Windows

首先安装 Windows / MSYS2 下的 C 编译工具链可参考说明链接 ，之后再安装 ULP 协处理器编译工具链链接 1. 解压 ULP 工具链 esp32ulp-elf-binutils-win32-... 到 MSYS2 的 opt 目录中，一般建议使用 C:\msys32\opt 目录，因为 ESP32 toolchain xtensa-esp32-elf 也在这个目录下。

2. 打开位于目录 C:\msys32\etc\profile.d 下的 esp32_toolchain.sh 文件，把 ULP 工具链的 bin/目录添加到 path 中，设置例如：

   # This file was created by ESP-IDF windows_install_prerequisites.sh
   # and will be overwritten if that script is run again.
   export PATH="$PATH:/opt/xtensa-esp32-elf/bin:/opt/esp32ulp-elf-binutils/bin"
   

3. 保存文件并重新打开 MSYS2 控制台。

4. 设置到此完成，你可以编译 ULP 协处理器的例程了，可尝试编译 system/ulp_adc 例子。

3.3 MacOS

MacOS 平台编译设置几乎是和 Linux 一样的，但需下载 MacOS 平台对应的编译工具链. 1. 下载 MacOS 平台的工具链 2. 解压工具链到安装目录，然后添加工具链的 bin/ 目录地址到 PATH 环境变量中，生效即可。

4. 编译 ULP 代码

如果把 ULP 汇编代码编译为应用组件的一部分，必须采取以下步骤：

1. ULP 的代码是汇编写的，并且文件后缀格式是.S, 这些汇编文件必须放在一个单独的目录中，例如 ulp/

2. 修改 makefile 添加如下内容，一些详细的定义在 Compiling ULP code 可以找到解释。

   ULP_APP_NAME ?= ulp_$(COMPONENT_NAME)
   ULP_S_SOURCES = $(COMPONENT_PATH)/ulp/ulp_source_file.S
   ULP_EXP_DEP_OBJECTS := main.o
   include $(IDF_PATH)/components/ulp/component_ulp_common.mk
   

3. 至此，可以编译包含 ULP 协处理器汇编代码的应用程序了。

5. ULP 协处理器的汇编指令

汇编指令目前有 24 条，在 ULP coprocessor instruction set 获得更详细的说明。

算数与逻辑类运算的指令

• 算数指令：加 ADD，减 SUB

• 逻辑指令：与 AND，或 OR

• 移位指令：左移 LSH，右移 RSH

• 寄存器指令：移动 MOVE

• 计数器寄存器操作：重置 STAGE_RST，加 STAGE_INC，减 STAGE_DEC

加载与数据储存类指令

• 从内存加载数据指令：LD

• 储存数据至内存指令：ST

• 从外围寄存器读取数据指令：REG_RD

• 写数据到外围寄存器指令：REG_WR

跳转类指令

• 跳转至绝对地址：JUMP

• 跳转至相对地址（基于 R0 寄存器判断）：JUMPR

• 跳转至相对地址（基于阶段计数器寄存器判断）：JUMPS

测量类指令

• 模拟量测量：ADC

• 内部温度传感器测量：TSENS

I2C 通讯指令

• I2C 读指令：I2C_RD

• I2C 写指令：I2C_WR

管理程序执行指令

• 等待延时指令：WAIT

• 结束停止指令：HALT

控制协处理器睡眠周期

• 休眠指令：SLEEP

唤醒 CPU 及与 SoC 通信

• 唤醒 CPU 指令：WAKE

6. ULP 协处理器的例程

在 esp-iot-solution 目录下目前有一些 ULP 协处理器使用的例子供参考

Num	Examples	Note
1	ulp_hall_sensor	在超低功耗模式下读取片内霍尔传感器例程
2	ulp_rtc_gpio	在 ULP mode 下操作 RTC GPIO 管脚翻转例子
3	ulp_tsens	在超低功耗模式下读片内温度传感器
4	ulp_watering_device	在超低功耗模式下使用 SAR_ADC 监测土壤湿度浇花的综合例程

7. 引用文档

• ESP-IOT-SOLUTION 的低功耗方案文档

• ULP coprocessor programming

提供有关此文档的反馈