ESP-IDF 环境配置#

实验目的#

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。它基于 C/C++ 语言提供了一个自给自足的 SDK，方便用户在这些平台上开发通用应用程序。

相较于 Arduino 等使用 microPython 的平台，ESP-IDF 能最大程度的发挥 ESP32 的全部实力，并且 ESP-IDF 是乐鑫官方推荐的 SDK，同时也是我们电子信息工程的学生应该掌握的开发工具之一。

本实验目的是搭建 ESP-IDF 的开发环境。

❗ 注意

本实验适用于同学们在自己的电脑上从头开始搭建环境，对于实验室电脑，实验环境已经搭建完毕，同学们只需阅读本节内容，了解 ESP-IDF 框架的基本内容即可。

ESP-WROVER-KIT 开发板简介#

概述#

ESP-WROVER-KIT 是 乐鑫 一款基于 ESP32 的开发板。开发板已集成了如下组件：

  • ESP32-WROVER-E 模组

  • LCD 屏

  • MicroSD 卡槽

此外，ESP-WROVER-KIT 的独特之处在于集成了一款先进多协议 USB 桥接器 (FTDI FT2232HL)，允许开发人员直接通过 USB 接口，使用 JTAG 对 ESP32 进行调试，无需额外的 JTAG 调试器。ESP-WROVER-KIT 可为开发人员提供简单、便捷且极具成本效益的开发体验。

为了便于使用，板上模组的绝大部分管脚均已引出至开发板的引脚。

❗ 注意

ESP32 的 GPIO16 和 GPIO17 管脚用作 PSRAM 的片选和时钟信号。默认情况下，为了给用户提供可靠的性能，这两个 GPIO 管脚不引出至开发板引脚。

电路框图#

ESP-WROVER-KIT 开发板的主要组件和连接方式如下图所示。

image-20220728170303464

管脚分配#

ESP32 模组的部分管脚/终端已被板上组件占用或用于外部硬件设备。如果某管脚对应的特定硬件未连接，则该管脚可用作他用。比如，摄像头/JP4 排针未连接相应硬件，则这些 GPIO 可用于其他用途。

部分管脚具备多个功能，可供板上组件或外部硬件设备同时使用，比如 GPIO0 和 GPIO2。由于管脚限制，一些外围设备不可同时使用，比如，由于 JTAG 和 SD 卡槽需共用部分管脚，因此一些使用 SD 卡功能的应用无法同时进行 JTAG 调试。

其他情况下，不同外设可同时使用。比如，LCD 屏幕和 SD 卡仅共用一个 GPIO21 管脚，可以同时使用。该管脚可为 LCD 屏幕提供 D/C（数据/控制）信号，并用于读取来自 SD 卡槽的卡检测信号。如无需使用卡检测功能，开发人员还可以通过移除 R167 来禁用该功能。此时，LCD 和 SD 卡槽可同时使用。

管脚复用情况#

image-20220728171255675

说明：

  • NC/XTAL - 32.768 kHz 晶振

  • JTAG - JTAG / JP2

  • Boot - Boot 按键 / SW2

  • 摄像头 - 摄像头 / JP4

  • LED - RGB LED

  • MicroSD - MicroSD Card / J4

  • LCD - LCD / U5

  • PSRAM - ESP32-WROVER-E 的 PSRAM

32.768 kHz 晶振#

ESP32 管脚

GPIO32

GPIO33

默认情况下，管脚 GPIO32 和 GPIO33 已连接至晶振。因此，为了保证信号的完整性，这两个管脚并未连接至 JP1 I/O 连接器。用户可通过将 R11/R23 处的 0 欧电阻移至 R12/R24 处，以将 GP1O32 和 GPIO33 的连接从晶振移至 JP1。

SPI Flash / JP2#

ESP32 管脚

CLK / GPIO6

SD0 / GPIO7

SD1 / GPIO8

SD2 / GPIO9

SD3 / GPIO10

CMD / GPIO11

Important

模组的 flash 总线已通过 0 欧电阻 R140 ~ R145 连接至排针 JP2。如果需要将 flash 的工作频率控制在 80 MHz，以达到保证总线信号完整性等目的，建议移除 R140 ~ R145 电阻，将模组的 flash 总线与排针 JP2 断开。

JTAG / JP2#

ESP32 管脚

JTAG 信号

EN

TRST_N

MTMS / GPIO14

TMS

MTDO / GPIO15

TDO

MTDI / GPIO12

TDI

MTCK / GPIO13

TCK

摄像头 / JP4#

ESP32 管脚

摄像头信号

n/a

3.3V

n/a

地

GPIO27

SIO_C / SCCB 时钟

GPIO26

SIO_D / SCCB 数据

GPIO25

VSYNC / 垂直同步

GPIO23

HREF / 水平参考

GPIO22

PCLK / 像素时钟

GPIO21

XCLK / 系统时钟

GPIO35

D7 / 像素数据 Bit 7

GPIO34

D6 / 像素数据 Bit 6

GPIO39

D5 / 像素数据 Bit 5

GPIO36

D4 / 像素数据 Bit 4

GPIO19

D3 / 像素数据 Bit 3

GPIO18

D2 / 像素数据 Bit 2

GPIO5

D0 / 像素数据 Bit 1

GPIO4

D0 / 像素数据 Bit 0

GPIO0

RESET / 摄像头复位

n/a

PWDN / 摄像头断电

D0 到 D7 为摄像头的数据总线

RGB LED#

ESP32 管脚

RGB LED

GPIO0

红色

GPIO2

绿色

GPIO4

蓝色

MicroSD 卡#

ESP32 管脚

MicroSD 信号

MTDI / GPIO12

DATA2

MTCK / GPIO13

CD / DATA3

MTDO / GPIO15

CMD

MTMS / GPIO14

CLK

GPIO2

DATA0

GPIO4

DATA1

GPIO21

Card Detect

LCD / U5#

ESP32 管脚

LCD 信号

GPIO18

复位

GPIO19

SCL

GPIO21

D/C

GPIO22

CS

GPIO23

SDA

GPIO25

SDO

GPIO5

背光

原理图#

下载原理图

实验准备#

硬件#

  • 物联网实验验箱上的 ESP-WROVER-KIT 开发板

  • USB 数据线 (A 转 Micro-B)

  • 电脑（PC 或 Mac OS）

软件#

  • Ubuntu20.04 Linux 操作系统

  • ESP-IDF 开发框架

实验步骤#

❗ 注意如果使用的是我们提供的镜像文件，安装好 VM16PRO 后打开即可。全新安装配置，请按照以下步骤操作。

第一步：安装准备#

首先是更换国内源，此处不再赘述，可以自行网络学习，Ubuntu20.04 有图形界面进行选择更换，十分简单。

然后更新软件列表，检测出可以更新的软件并进行软件更新，具体终端输入如下：

sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade

编译 ESP-IDF 需要以下软件依赖包。

sudo apt-get install git wget flex bison gperf python3 python3-pip python3-setuptools cmake ninja-build cca

第二步：获取 ESP-IDF#

拉取 ESP-IDF 仓库。打开终端，运行以下命令：

mkdir -p ~/esp
cd ~/esp
git clone -b v4.4.1 --recursive https://github.com/espressif/esp-idf.git

ESP-IDF 将下载至 ~/esp/esp-idf。

❗注意：

  • 本手册使用的版本为 v4.4.1，对于其他 ESP-IDF 版本可能出现与本指导中提供的代码不兼容现象。

  • 此处因 GitHub 在国内下载速度不稳定，想要在自己电脑构建环境的同学们，针对 git clone 的下载问题可以先下载 zip 再放入虚拟机后解压。下载地址（文件名为 esp-idf.zip）

  • 也可以用国内提供的 GITTE 解决。

第三步：设置工具#

除了 ESP-IDF 框架本身，还需要安装 ESP-IDF 使用的各种工具，比如编译器、调试器、Python 包等。

  • 采用 GitHub，执行如下命令

cd ~/esp/esp-idf
./install.sh all

  • 采用备用资源

在运行install.sh时会下载 Github 发布版本中附带的一些工具，如果访问 Github 较为缓慢，则可以设置一个环境变量，实现优先选择 Espressif 提供的下载服务器进行 Github 资源下载。

cd ~/esp/esp-idf
export IDF_GITHUB_ASSETS="dl.espressif.com/github_assets"
./install.sh

第四步：设置环境变量#

此时，您刚刚安装的工具尚未添加至 PATH 环境变量，无法通过“命令窗口”使用这些工具。因此，必须设置一些环境变量，这可以通过 ESP-IDF 提供的另一个脚本完成。

为了正常使用 ESP-IDF 提供的工具，必须将这些工具所在的目录添加到系统环境变量，可通过终端键入如下命令实现。

. $HOME/esp/esp-idf/export.sh

❗注意：，命令开始的 “.” 与路径之间应有一个空格！

如果您需要经常运行 ESP-IDF，可以上述脚本命令创建一个别名，具体步骤如下：

  1. 复制并粘贴以下命令到 shell 配置文件中（.profile， .bashrc， .zprofile 等）

    alias get-idf='. $HOME/esp/esp-idf/export.sh'

    注意：这些文件在主目录下，并且需要开启查看隐藏文件

  2. 通过重启终端窗口或运行 source [path to profile]，如 source ~/.bashrc 来刷新配置文件。

    source ~/.bashrc

现在您可以在任何终端窗口中运行 get-idf 来设置或刷新 esp-idf 环境。

get-idf

Detecting the Python interpreter
Checking "python3" ...
Python 3.9.13
"python3" has been detected
Checking Python compatibility
Checking other ESP-IDF version.
.....
Done! You can now compile ESP-IDF projects.
Go to the project directory and run:
idf.py build

这里不建议直接将 export.sh 添加到 shell 的配置文件。因为这会导致在每个终端会话中都激活 IDF 虚拟环境（包括无需使用 IDF 的情况），从而破坏使用虚拟环境的目的，并可能影响其他软件的使用。

思考题#

  1. 对于 Linux 系统，请认真阅读./install.sh脚本文件，它在完成哪些工作？

  2. 当执行完./install.sh  all指令后，产生的工具放在什么文件夹下，用于编译，链接，调试的工具分别是什么？

  3. 上述指令执行完成后，支持哪些芯片？

  4. 请描述 xtensa riscv 的区别，分别用在哪些芯片中？