小智AI ESP32S3 学习课件 - 第2周：理解编译与烧录

ESP32开发工具链：
├── ESP-IDF (Espressif IoT Development Framework)
│   ├── 官方开发框架
│   ├── 基于FreeRTOS
│   └── 支持C/C++开发
├── CMake (构建系统)
│   ├── 跨平台构建工具
│   ├── 支持组件化开发
│   └── 自动化依赖管理
├── VSCode插件
│   ├── ESP-IDF插件
│   ├── C/C++插件
│   └── CMake插件
└── 工具链
    ├── 编译器 (xtensa-esp32-elf-gcc)
    ├── 调试器 (OpenOCD)
    └── 烧录工具 (esptool.py)

ESP-IDF特点：
├── 官方支持：乐鑫官方维护
├── 功能完整：WiFi、蓝牙、音频、显示等
├── 组件化：模块化设计，易于扩展
├── 跨平台：支持Windows、macOS、Linux
├── 文档完善：详细的中文文档
└── 社区活跃：丰富的示例和教程

CMake优势：
├── 跨平台：一次编写，多平台构建
├── 组件化：支持组件依赖管理
├── 自动化：自动处理依赖关系
├── 可扩展：支持自定义构建规则
└── 集成性：与IDE无缝集成

# 创建工作目录
mkdir -p ~/esp
cd ~/esp

# 克隆ESP-IDF
git clone --recursive https://github.com/espressif/esp-idf.git
cd esp-idf

# 切换到稳定版本
git checkout v5.3
git submodule update --init --recursive

# 安装ESP32-S3工具链
./install.sh esp32s3

# 设置环境变量
echo 'alias get_idf=". $HOME/esp/esp-idf/export.sh"' >> ~/.zshrc
source ~/.zshrc

# 设置环境
get_idf

# 检查版本
idf.py --version
# 期望输出：ESP-IDF v5.3

# 检查工具链
xtensa-esp32s3-elf-gcc --version

VSCode插件列表：
├── ESP-IDF (必装)
│   ├── 提供ESP-IDF集成开发环境
│   ├── 支持项目创建、编译、烧录
│   └── 集成串口监视器
├── C/C++ (必装)
│   ├── 提供C/C++语言支持
│   ├── 智能代码补全
│   └── 语法高亮和错误检查
├── CMake (推荐)
│   ├── CMake语法支持
│   ├── 智能提示
│   └── 错误检查
└── GitLens (推荐)
    ├── Git集成
    ├── 代码历史查看
    └── 协作功能

// VSCode设置
{
    "C_Cpp.default.configurationProvider": "espressif.esp-idf-extension",
    "C_Cpp.default.intelliSenseMode": "gcc-x64",
    "C_Cpp.default.compilerPath": "${workspaceFolder}/.espressif/python_env/idf5.3_py3.11_env/Scripts/python.exe",
    "C_Cpp.default.cStandard": "c11",
    "C_Cpp.default.cppStandard": "c++17"
}

# 进入项目目录
cd xiaozhi-esp32

# 设置目标芯片
idf.py set-target esp32s3

# 配置项目
idf.py menuconfig

# 清理项目（可选）
idf.py fullclean

# 编译项目
idf.py build

编译过程：
├── 1. 检查依赖
│   ├── 检查ESP-IDF版本
│   ├── 检查工具链
│   └── 检查Python环境
├── 2. 配置项目
│   ├── 读取sdkconfig
│   ├── 生成配置头文件
│   └── 设置编译选项
├── 3. 编译组件
│   ├── 编译main组件
│   ├── 编译依赖组件
│   └── 链接库文件
├── 4. 生成二进制文件
│   ├── 生成bootloader.bin
│   ├── 生成partition-table.bin
│   └── 生成应用程序.bin
└── 5. 显示内存使用情况
    ├── Flash使用情况
    ├── RAM使用情况
    └── 分区使用情况

编译成功输出：
Project build complete. To flash all build output, run 'idf.py -p PORT flash'.

Total sizes:
Used static IRAM:   123456 bytes ( 15.2%) remaining: 687544 bytes ( 84.8%)
Used stat D/IRAM:   23456 bytes (  2.9%) remaining: 825544 bytes ( 97.1%)
Used Flash size:   567890 bytes ( 34.7%) remaining: 1068110 bytes ( 65.3%)

连接步骤：
1. 使用USB-C数据线连接ESP32-S3开发板
2. 将USB-A端插入电脑USB端口
3. 确认设备管理器中出现COM端口
4. 开发板上的电源LED应该亮起

# 烧录并监控
idf.py -p COM3 flash monitor

# 只烧录，不监控
idf.py -p COM3 flash

# 自动检测端口
idf.py flash monitor

烧录过程：
├── 1. 连接开发板
│   ├── 检测串口
│   ├── 建立连接
│   └── 进入下载模式
├── 2. 擦除Flash
│   ├── 擦除bootloader区域
│   ├── 擦除应用程序区域
│   └── 擦除用户数据区域
├── 3. 写入固件
│   ├── 写入bootloader.bin
│   ├── 写入partition-table.bin
│   └── 写入应用程序.bin
├── 4. 验证烧录
│   ├── 校验数据完整性
│   ├── 检查CRC
│   └── 确认写入成功
└── 5. 启动应用程序
    ├── 重启开发板
    ├── 加载bootloader
    └── 启动应用程序

烧录成功输出：
Hard resetting via RTS pin...
Done

分区表作用：
├── 定义Flash存储布局
├── 划分不同功能区域
├── 管理应用程序和数据
└── 支持OTA更新

分区表结构：
├── 名称 (Name)
│   ├── 分区的唯一标识
│   └── 用于引用分区
├── 类型 (Type)
│   ├── app (应用程序)
│   ├── data (数据)
│   └── 0x00-0x40 (自定义类型)
├── 子类型 (SubType)
│   ├── 0x00 (默认)
│   ├── 0x10 (OTA)
│   └── 0x20 (NVS)
├── 偏移量 (Offset)
│   ├── 分区在Flash中的起始位置
│   └── 相对于Flash起始地址
└── 大小 (Size)
    ├── 分区的存储空间大小
    └── 支持K、M单位

4M Flash分区布局：
├── 0x1000  bootloader (32KB)
├── 0x9000  partition-table (4KB)
├── 0x10000 app (1.5MB)
├── 0x190000 nvs (16KB)
├── 0x1D0000 otadata (8KB)
├── 0x1D2000 ota_0 (1.5MB)
└── 0x350000 ota_1 (1.5MB)

8M Flash分区布局：
├── 0x1000  bootloader (32KB)
├── 0x9000  partition-table (4KB)
├── 0x10000 app (2MB)
├── 0x210000 nvs (32KB)
├── 0x218000 otadata (8KB)
├── 0x21A000 ota_0 (2MB)
├── 0x41A000 ota_1 (2MB)
└── 0x61A000 spiffs (1.5MB)

16M Flash分区布局：
├── 0x1000  bootloader (32KB)
├── 0x9000  partition-table (4KB)
├── 0x10000 app (4MB)
├── 0x410000 nvs (64KB)
├── 0x420000 otadata (8KB)
├── 0x422000 ota_0 (4MB)
├── 0x822000 ota_1 (4MB)
└── 0xC22000 spiffs (3.5MB)

32M Flash分区布局：
├── 0x1000  bootloader (32KB)
├── 0x9000  partition-table (4KB)
├── 0x10000 app (8MB)
├── 0x810000 nvs (128KB)
├── 0x830000 otadata (8KB)
├── 0x832000 ota_0 (8MB)
├── 0x1032000 ota_1 (8MB)
└── 0x1832000 spiffs (7MB)

分区表配置步骤：
1. 运行 idf.py menuconfig
2. 进入 Partition Table
3. 选择分区表类型：
   ├── Single factory app (no OTA)
   ├── Factory app, two OTA definitions
   ├── Custom partition table CSV
   └── Custom partition table CSV (with size)
4. 设置分区表文件路径
5. 保存配置

# 自定义分区表示例
# Name,   Type, SubType, Offset,  Size,   Flags
nvs,      data, nvs,     0x9000,  0x6000,
phy_init, data, phy,     0xf000,  0x1000,
factory,  app,  factory, 0x10000, 1M,

# 创建项目目录
mkdir -p ~/esp-projects/hello-esp32
cd ~/esp-projects/hello-esp32

# 创建main目录
mkdir main

# 创建CMakeLists.txt
touch CMakeLists.txt

// main/hello_esp32.c
#include <stdio.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freertos/task.h"
#include "esp_system.h"
#include "esp_log.h"

staticconstchar *TAG = "hello_esp32";

void app_main(void)
{
    ESP_LOGI(TAG, "Hello ESP32!");
    ESP_LOGI(TAG, "Free heap: %d bytes", esp_get_free_heap_size());
    ESP_LOGI(TAG, "Minimum free heap: %d bytes", esp_get_minimum_free_heap_size());
    
    int i = 0;
    while (1) {
        ESP_LOGI(TAG, "Hello ESP32! Count: %d", i++);
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

# CMakeLists.txt
cmake_minimum_required(VERSION 3.16)

include($ENV{IDF_PATH}/tools/cmake/project.cmake)
project(hello_esp32)

# 设置ESP-IDF环境
get_idf

# 设置目标芯片
idf.py set-target esp32s3

# 编译项目
idf.py build

# 连接开发板后烧录
idf.py -p COM3 flash monitor

期望输出：
I (1234) hello_esp32: Hello ESP32!
I (1235) hello_esp32: Free heap: 123456 bytes
I (1236) hello_esp32: Minimum free heap: 98765 bytes
I (1237) hello_esp32: Hello ESP32! Count: 0
I (2237) hello_esp32: Hello ESP32! Count: 1
I (3237) hello_esp32: Hello ESP32! Count: 2
...