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Deep-sleep 唤醒存根
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:link_to_translation:`en:[English]`
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简介
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与 Light-sleep 和 Modem-sleep 模式相比，Deep-sleep 模式的唤醒时间要长得多，因为在这种情况下 ROM 和 RAM 都被关闭，而 CPU 需要更多时间进行 SPI 引导。不过 {IDF_TARGET_NAME} 支持在退出 Deep-sleep 模式时运行“Deep-sleep 唤醒存根”，此功能在芯片被唤醒后，在任何正常初始化、引导加载程序或 ESP-IDF 代码运行之前会立即运行。
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具体来说，从 Deep-sleep 模式中唤醒后，{IDF_TARGET_NAME} 开始部分初始化，然后使用 CRC 对 RTC 快速内存进行验证，如果验证通过，则执行唤醒存根代码。
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由于 {IDF_TARGET_NAME} 刚刚从 Deep-sleep 模式唤醒，大多数外设处于复位状态，SPI flash 也未被映射，因此，唤醒存根代码只能调用在 ROM 中实现或加载到 RTC 快速内存中的函数，后者在 Deep-sleep 期间保留内容。
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综上所述，通过在应用程序中调用唤醒存根功能，可以在从 Deep-sleep 模式中唤醒时快速运行一些代码，而无需等待整个启动过程。但是，存根大小受 RTC 快速内存大小的限制。
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.. only:: SOC_RTC_SLOW_MEM_SUPPORTED
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{IDF_TARGET_NAME} 支持 RTC 快速内存和 RTC 慢速内存。唤醒存根代码应加载到 RTC 快速内存中，代码使用的数据应存储到 RTC 快速内存或 RTC 慢速内存中。
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.. only:: not SOC_RTC_SLOW_MEM_SUPPORTED
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{IDF_TARGET_NAME} 仅支持 RTC 快速内存，唤醒存根代码及其使用的数据应加载到 RTC 快速内存中。
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接下来介绍如何在应用程序中实现唤醒存根代码。
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唤醒存根的实现
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调用函数 :cpp:func:`esp_wake_deep_sleep()` 可在 esp-idf 中实现唤醒存根。每当 SoC 从 Deep-sleep 中唤醒时，都会执行此函数。此函数与默认函数 :cpp:func:`esp_default_wake_deep_sleep()` 弱链接，因此如果应用程序包含名为 ``esp_wake_deep_sleep()`` 的函数，则会覆盖 esp-idf 中的默认函数。
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请注意，如果只想调用 Deep-sleep 功能，则不必在应用程序中实现 :cpp:func:`esp_wake_deep_sleep()` 函数，只有当希望在 SoC 唤醒后立即做一些特殊行为时才需要用到该函数。
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在开发自定义的唤醒存根时，首先应调用默认函数 :cpp:func:`esp_default_wake_deep_sleep()`。
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此外，如果想在运行时切换不同的唤醒存根，可以调用函数 :cpp:func:`esp_set_deep_sleep_wake_stub()`。
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参照以下步骤，可以在应用程序中实现唤醒存根函数：
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.. list::
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- 将唤醒存根代码加载到 RTC 快速内存中
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:SOC_RTC_SLOW_MEM_SUPPORTED: - 将数据加载到 RTC 内存中
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:not SOC_RTC_SLOW_MEM_SUPPORTED: - 将数据加载到 RTC 快速内存中
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将唤醒存根代码加载到 RTC 快速内存中
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唤醒存根代码只能调用存放在 ROM 中或加载到 RTC 快速内存中的函数，其他所有 RAM 位置都未初始化，且包含随机数据。虽然唤醒存根代码可以使用其他 RAM 区域进行临时存储，但这些区域的内容在回到 Deep-sleep 模式或启动 esp-idf 时将被覆盖。
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唤醒存根代码是主 esp-idf 应用程序的一部分。在 esp-idf 正常运行期间，函数可以像常规程序一样调用唤醒存根代码或访问 RTC 内存。
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唤醒存根代码必须驻留在 RTC 快速内存中，这可以通过两种方式实现。
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- 使用 ``RTC_IRAM_ATTR`` 属性将 :cpp:func:`esp_wake_deep_sleep()` 函数放到 RTC 快速内存中：
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.. code:: c
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void RTC_IRAM_ATTR esp_wake_deep_sleep(void) {
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esp_default_wake_deep_sleep();
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// Add additional functionality here
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}
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第一种方法适用于简短的代码段或包含“常规”代码和 "RTC" 代码的源文件。
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- 将函数 :cpp:func:`esp_wake_deep_sleep()` 放到任何名字以 ``rtc_wake_stub`` 开头的源文件中。以 ``rtc_wake_stub*`` 为名的文件中的内容会由链接器自动放入 RTC 快速内存中。
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在 RTC 快速内存中编写较长的代码段时，建议使用第二种方法。
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.. only:: SOC_RTC_SLOW_MEM_SUPPORTED
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将唤醒存根数据加载到 RTC 内存中
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RTC 内存必须包含唤醒存根代码使用的只读数据。除非是从 Deep-sleep 中唤醒，其他所有 SoC 重新启动时，RTC 内存中的数据会被初始化。从 Deep-sleep 中唤醒时，将保留进入睡眠前存在的数据。唤醒存根代码使用的数据必须驻留在 RTC 内存（RTC 快速内存或 RTC 慢速内存）中。
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有两种方法可以指定此数据：
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- 使用 ``RTC_DATA_ATTR`` 和 ``RTC_RODATA_ATTR`` 属性分别指定可写和只读数据。
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.. code:: c
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RTC_DATA_ATTR int wake_count;
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void RTC_IRAM_ATTR esp_wake_deep_sleep(void) {
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esp_default_wake_deep_sleep();
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static RTC_RODATA_ATTR const char fmt_str[] = "Wake count %d\n";
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esp_rom_printf(fmt_str, wake_count++);
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}
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这些数据被存放在 RTC 内存区域中，可以通过名为 :ref:`CONFIG_{IDF_TARGET_CFG_PREFIX}_RTCDATA_IN_FAST_MEM` 的 menuconfig 选项进行配置，且此选项允许为 ULP 程序保留慢速内存区域。在默认选项中，这些数据被放入 RTC 慢速内存中，一旦启用上述选项，标记有 ``RTC_DATA_ATTR`` 和 ``RTC_RODATA_ATTR`` 的数据将被放入 RTC 快速内存中。此选项依赖于 :ref:`CONFIG_FREERTOS_UNICORE` 选项，因为 RTC 快速内存只能由 PRO_CPU 访问。
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.. only:: esp32
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此选项依赖于 :ref:`CONFIG_FREERTOS_UNICORE` 选项，因为只有 PRO_CPU 才能访问 RTC 快速内存。
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``RTC_FAST_ATTR`` 和 ``RTC_SLOW_ATTR`` 属性可分别用于指定被强制放入 RTC 快速内存和 RTC 慢速内存中的数据。对标记为 ``RTC_FAST_ATTR`` 的数据的任何访问都仅由 PRO_CPU 允许。
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.. only:: esp32s2 or esp32s3
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``RTC_FAST_ATTR`` 和 ``RTC_SLOW_ATTR`` 属性分别可用于指定被强制放入 RTC 快速内存和 RTC 慢速内存中的数据。
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.. only:: not SOC_RTC_SLOW_MEM_SUPPORTED
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将唤醒存根数据加载到 RTC 快速内存中
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唤醒存根代码使用的数据必须驻留在 RTC 快速内存中。
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有两种方法可以指定此数据：
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- 使用 ``RTC_DATA_ATTR`` 和 ``RTC_RODATA_ATTR`` 属性分别指定可写和只读数据。
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.. code:: c
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RTC_DATA_ATTR int wake_count;
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void RTC_IRAM_ATTR esp_wake_deep_sleep(void) {
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esp_default_wake_deep_sleep();
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static RTC_RODATA_ATTR const char fmt_str[] = "Wake count %d\n";
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esp_rom_printf(fmt_str, wake_count++);
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}
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``RTC_FAST_ATTR`` 和 ``RTC_SLOW_ATTR`` 属性可分别用于指定将被强制放入 RTC 快速内存和 RTC 慢速内存中的数据。但 {IDF_TARGET_NAME} 仅支持 RTC 快速内存，因此上述两个属性都将映射到 RTC 快速内存中。
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然而，以这种方式使用的任何字符串常量都必须被声明为数组，且使用 ``RTC_RODATA_ATTR`` 进行标记，如上文例子所示。
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- 将数据放到任何名字以 ``rtc_wake_stub`` 开头的源文件中，如示例源文件 :example_file:`system/deep_sleep_wake_stub/main/rtc_wake_stub_example.c`。
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.. code:: c
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if (s_count >= s_max_count) {
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// Reset s_count
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s_count = 0;
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// Set the default wake stub.
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// There is a default version of this function provided in esp-idf.
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esp_default_wake_deep_sleep();
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// Return from the wake stub function to continue
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// booting the firmware.
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return;
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}
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在包含字符串或更复杂的代码段时，建议使用第二种方法。
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启用 Kconfig 选项 :ref:`CONFIG_BOOTLOADER_SKIP_VALIDATE_IN_DEEP_SLEEP` 可以减少唤醒时间。更多信息请参阅 :doc:`从 Deep-sleep 模式快速启动 <bootloader>`。
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上述所有函数在 :component_file:`esp_hw_support/include/esp_sleep.h` 中声明。
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应用示例
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.. only:: SOC_RTC_FAST_MEM_SUPPORTED
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- :example:`system/deep_sleep_wake_stub` 演示如何使用 {IDF_TARGET_NAME} 上的深度睡眠唤醒存根，以便在唤醒后立即执行一些任务（唤醒存根代码），然后再返回睡眠状态。
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测量从 Deep-sleep 唤醒到唤醒存根执行的时间
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在某些低功耗场景下，开发者可能希望测量 {IDF_TARGET_NAME} 芯片从 Deep-sleep 唤醒到执行唤醒存根所需的时间。
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本节介绍了两种测量该唤醒时长的方法。
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方法一：使用 CPU 周期计数器估算
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该方法利用 CPU 的内部周期计数器来估算唤醒时间。在存根函数（类型为 `esp_deep_sleep_wake_stub_fn_t`）的开头，读取当前的 CPU 周期计数，并根据运行的 CPU 频率将其转换为时间。
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参考示例：:example:`system/deep_sleep_wake_stub`。
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运行示例后，你将看到类似如下的日志：
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.. code-block:: bash
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Enabling timer wakeup, 10s
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Entering deep sleep
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ESP-ROM:esp32c3-api1-20210207
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Build:Feb 7 2021
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rst:0x5 (DSLEEP),boot:0xc (SPI_FAST_FLASH_BOOT)
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wake stub: wakeup count is 1, wakeup cause is 8, wakeup cost 12734 us
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wake stub: going to deep sleep
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ESP-ROM:esp32c3-api1-20210207
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Build:Feb 7 2021
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rst:0x5 (DSLEEP),boot:0xc (SPI_FAST_FLASH_BOOT)
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其中 ``wakeup cost 12734 us`` 表示从 Deep-sleep 唤醒到唤醒存根执行之间的时间。
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方法一的优点：
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- 不需要外部硬件。
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- 实现简单。
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方法一的局限性：
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- 测量的时长可能包含部分初始化流程。
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- 不适用于超高精度的时序分析。
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方法二：使用 GPIO 管脚和逻辑分析仪
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你可以使用一个 GPIO 管脚作为唤醒源，另一个 GPIO 管脚用于指示唤醒存根开始执行。通过在逻辑分析仪上观察这些 GPIO 的电平变化，可以准确测量从唤醒到存根执行的时间。
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例如，在下图中，GPIO4 作为唤醒源，GPIO5 用于指示唤醒存根开始执行。GPIO4 和 GPIO5 的高电平之间的时长即为从唤醒到存根执行的时间。
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.. figure:: ../../_static/deep-sleep-stub-logic-analyzer-result.png
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:align: center
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:alt: 从唤醒到存根执行的时间
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:width: 100%
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从唤醒到存根执行的时间
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其中 ``2.657ms`` 表示从 Deep-sleep 唤醒到唤醒存根执行之间的时间。
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方法二的优点：
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- 精度高。
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- 适用于验证硬件时序行为。
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方法二的局限性：
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- 需要外部设备（逻辑分析仪或示波器）。
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- 在定制板上可能需要测试引脚布线。
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建议
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- 对于快速估算或纯软件测试，方法一已足够。
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- 对于精确验证和硬件级时序分析，推荐使用方法二。
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