【SoC】【ESP32】ESP-IDF+VSCode的初步使用

一、简介

       ESP-IDF（Espressif IoT Development Framework）是乐鑫为其 ESP32、ESP32-S 系列、ESP32-C 系列等芯片提供的官方物联网开发框架，基于 FreeRTOS 操作系统，支持 C、C++ 和 Lua 等语言，用于快速开发物联网、智能家居、工业控制等地方的嵌入式应用。

（1）主要特点：

1. 硬件抽象层：提供 Wi-Fi、蓝牙、以太网、SPI、I2C、UART 等外设的驱动和 API。
2. 丰富组件：包含文件系统（FAT、SPIFFS）、网络协议栈（TCP/IP、MQTT、HTTP）、安全框架（SSL/TLS）等。
3. 工具链支持：集成 CMake 构建系统、idf.py 命令行工具，支持一键编译、烧录、调试。
4. 跨平台：支持 Windows、Linux、macOS 开发环境。
5. 示例与文档：提供大量官方示例和详细文档，便于快速上手。

（2）基本开发流程：

1. 环境搭建：安装 ESP-IDF 工具链（包含编译器、调试工具等）。
2. 项目创建：基于示例模板或自定义创建项目。
3. 配置：通过idf.py menuconfig配置项目参数（如 Wi-Fi、串口波特率等）。
4. 开发：编写代码实现业务逻辑。
5. 编译与烧录：使用idf.py build编译，idf.py flash烧录到设备。
6. 调试：通过idf.py monitor查看串口输出或调试信息。

（3）典型应用场景：

• 低功耗物联网设备（如温湿度传感器）
• 智能家居控制（如智能开关、灯光控制）
• 工业自动化数据采集
• 无线通信中继设备

       ESP-IDF 适合需要高性能、低功耗、丰富通信接口的嵌入式系统开发，尤其在物联网领域应用广泛。

二、创建工程

1.新建文件夹ESP32_Example

2. 使用命令idf.py build初始化该工程 

注：CMakeLists.txt是帮助链接编译的文件

3.对于 ESP - IDF 等开发框架中component文件夹的功能，用于明确该目录在项目结构里承担存放特定代码（第三方组件、用户程序驱动代码 ）的角色 。使用命令idf.py create-component + 文件名字

4.在ESP32_Example下新建一个文件夹components，把所有组件放在components下

5.设置目标芯片

使用查询命令idf.py --list-targets查看有哪些芯片类型

idf.py set-target

成功设置

6.输入命令idf.py menuconfig启动文本界面进行详细配置

7.设置SPI Flash速度模式，默认（DIO）即可

按下ESC退出

7.使用命令idf.py -p COM8 flash下载代码，这里只是检测是否能正常下载

8.编写测试函数

9.测试函数编译

10.测试函数下载

11.测试函数监控，使用命令idf.py monitor

可以看到了成功打印了hello，然后按下ctrl + ] 退出监控器。

12.清除编译文件

idf.py fullclean

三、使用VSCode+ESP-IDF插件编写代码

1.使用VSCode打开工程文件夹ESP32_Example

2.配置工程

选择下载程序方式、接口和目标芯片

3.扳手按钮编译

4.闪电按钮烧写

5.电视按钮启用监控

初步测试没问题。 

6.最下方的芯片选择后的齿轮按钮进行SDK的详细配置

flash

ESP32-S3-N16R8 中， “N16” 代表的是16MB 的 Flash，“R8” 表示8MB 的 PSRAM。所以这款芯片的 Flash 大小是 16MB。

Partition Table

选择自定义分区表，分区表自定义名称：partitions_tabel_16MB.csv

PSRAM

使能外部SRAM，主要调整为八线模式和80MHz

CPU Frequency

FreeRTOS

一、GDB Stub（调试相关）

GDB Stub 是 FreeRTOS 中用于支持 GDB 调试器的组件，允许通过 GDB 查看任务状态、断点调试等。

• Enable listing FreeRTOS tasks through GDB Stub
  启用后，GDB 调试器可以列出当前所有 FreeRTOS 任务的信息（如任务名、状态、优先级等），方便调试时监控任务运行状态。
• Maximum number of tasks supported by GDB Stub: 32
  GDB Stub 最多支持同时显示 32 个任务的信息（超过则无法通过 GDB 完整列出）。

二、FreeRTOS Kernel（内核核心配置）

1. 内核基础

• Run the Amazon SMP FreeRTOS kernel instead (FEATURE UNDER DEVELOPMENT)
  启用后将使用亚马逊的 SMP（对称多处理）版本 FreeRTOS 内核（实验性功能），支持多核心同时运行任务（适用于 ESP32S3 等双核芯片）。默认不启用时，使用标准单核心调度的 FreeRTOS 内核。
• Run FreeRTOS only on first core
  限制 FreeRTOS 仅在芯片的第一个核心（Core 0）上运行，第二个核心（若有，如 ESP32S3 的 Core 1）可用于其他裸机程序或独立任务。
• configTICK_RATE_HZ: 1000
  FreeRTOS 系统时钟节拍频率，单位为 Hz。此处设置为 1000，即每秒产生 1000 个时钟节拍（每个节拍间隔 1ms），用于任务调度、延时（如 vTaskDelay()）等时间相关操作。节拍频率越高，时间精度越高，但内核开销略增。

2. 栈溢出检测

• configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW: Check using canary bytes (Method 2)
  启用栈溢出检测功能，采用「金丝雀字节（canary bytes）」方式（方法 2）：在任务栈的末尾放置特殊标记字节（金丝雀值），每次任务切换时检查标记是否被改写，若改写则判定为栈溢出（会触发栈溢出钩子函数）。这是一种常用的内存越界检测机制。

3. 任务与内存相关

• configNUM_THREAD_LOCAL_STORAGE_POINTERS: 1
  每个任务可分配的「线程本地存储指针（TLS）」数量。TLS 用于存储任务私有数据（如任务专属的变量），此处最多支持 1 个指针。
• configMINIMAL_STACK_SIZE (Idle task stack size): 1536
  空闲任务（Idle Task）的栈大小（单位：字节）。空闲任务是 FreeRTOS 自动创建的最低优先级任务，用于系统空闲时运行，栈大小需根据系统最小需求配置（此处 1536 字节适用于多数嵌入式场景）。
• configMAX_TASK_NAME_LEN: 16
  任务名称的最大长度（包含终止符 \\0），超过则会被截断。例如，任务名最长为 15 个可见字符 + 1 个终止符。
• configENABLE_BACKWARD_COMPATIBILITY
  启用后兼容旧版本 FreeRTOS 的 API 或宏定义（如旧版中的函数参数、结构体成员），避免因版本升级导致的兼容性问题。

4. 定时器功能

• configUSE_TIMERS
  启用 FreeRTOS 软件定时器功能，允许创建周期性或一次性定时器（通过 xTimerCreate() 等 API）。
• configTIMER_SERVICE_TASK_NAME: Tmr Svc
  定时器服务任务的名称（默认 Tmr Svc），该任务负责处理所有软件定时器的触发逻辑。
• configTIMER_SERVICE_TASK_CORE_AFFINITY: No affinity
  定时器服务任务的核心绑定（适用于多核芯片），「No affinity」表示不固定核心，由内核自动调度到任意核心。
• configTIMER_TASK_PRIORITY: 1
  定时器服务任务的优先级（数值越大优先级越高），此处为 1（较低优先级，避免抢占关键任务）。
• configTIMER_TASK_STACK_DEPTH: 2048
  定时器服务任务的栈大小（2048 字节），需根据定时器回调函数的复杂度调整（若回调函数复杂，需增大栈大小）。
• configTIMER_QUEUE_LENGTH: 10
  定时器命令队列的长度，用于存储待处理的定时器操作（如启动、停止定时器），超过 10 个则需等待队列空闲。

5. 队列与通知

• configQUEUE_REGISTRY_SIZE: 0
  队列注册表的大小，用于将队列 / 信号量与名称关联（通过 vQueueAddToRegistry()），方便调试时识别队列。0 表示禁用该功能。
• configTASK_NOTIFICATION_ARRAY_ENTRIES: 1
  每个任务的「任务通知数组」长度。任务通知是一种轻量级的通信机制（替代信号量 / 队列），此处最多支持 1 个通知条目（每个任务可接收 1 种通知）。

6. 调试与统计

• configUSE_TRACE_FACILITY
  启用跟踪功能，支持 FreeRTOS 的跟踪宏（如 vTaskList() 列出任务状态、vTaskGetRunTimeStats() 统计任务运行时间），用于系统性能分析。
• configUSE_LIST_DATA_INTEGRITY_CHECK_BYTES
  启用链表数据完整性检查，在 FreeRTOS 内部链表（如任务就绪链表、阻塞链表）的节点中添加校验字节，检测链表是否被意外篡改（如内存越界导致的链表损坏）。
• configGENERATE_RUN_TIME_STATS
  启用任务运行时间统计功能，可通过 vTaskGetRunTimeStats() 获取每个任务的运行时间占比（需配合硬件定时器实现）。
• configUSE_APPLICATION_TASK_TAG
  允许为任务设置「标签（tag）」，通过 vTaskSetApplicationTaskTag() 关联一个整数或指针，用于标识任务（如区分任务类型、归属模块）。

三、Port（端口配置，与硬件相关）

针对特定硬件平台（如 ESP32S3 的 Xtensa 架构）的 FreeRTOS 移植配置。

• Wrap task functions
  对任务函数进行包装（如添加进入 / 退出钩子），通常用于调试或跟踪任务的创建 / 销毁。
• Enable stack overflow debug watchpoint
  启用栈溢出调试断点（依赖硬件 watchpoint 功能），当栈指针超出栈范围时触发调试中断，方便定位栈溢出问题。
• Enable thread local storage pointers deletion callbacks
  启用线程本地存储（TLS）指针的删除回调，当任务销毁时自动调用 TLS 指针的清理函数（释放资源）。
• Enable task pre-deletion hook
  启用任务删除前的钩子函数（vTaskPreDeleteHook()），在任务被删除前执行自定义逻辑（如释放任务持有的资源）。
• Enable static task clean up hook (DEPRECATED)
  启用静态任务的清理钩子（已过时），用于静态创建的任务（xTaskCreateStatic()）销毁时的资源清理。
• Check that mutex semaphore is given by owner task
  检查互斥锁（mutex）的释放操作是否由持有锁的任务执行（避免其他任务释放不属于自己的锁，导致死锁）。
• ISR stack size: 1536
  中断服务程序（ISR）的栈大小（1536 字节），用于处理中断时的临时数据存储（栈不足会导致系统崩溃）。
• Enable backtrace from interrupt to task context
  启用从中断上下文到任务上下文的回溯功能，当发生中断时，可追踪中断前正在运行的任务调用栈（方便调试中断相关问题）。
• Use float in Level 1 ISR
  允许在 Level 1 中断服务程序中使用浮点数（需硬件支持浮点运算，且会增加中断处理开销）。
• Tick timer source (Xtensa Only): SYSTIMER 0 (level 1)
  选择 FreeRTOS 系统节拍（tick）的定时器源（仅 Xtensa 架构），此处使用 SYSTIMER 0（系统定时器 0），且为 Level 1 中断（较高优先级，确保节拍计时准确）。
• Place FreeRTOS functions into Flash
  将 FreeRTOS 函数存储在 Flash 中（而非 RAM），节省 RAM 空间（适用于 RAM 有限的嵌入式设备）。
• *Tests compliance with Vanilla FreeRTOS port _CRITICAL calls
  检查与「标准 FreeRTOS 端口」中临界区函数（如 taskENTER_CRITICAL()）的兼容性，确保临界区操作符合官方规范。

四、Extra（额外配置）

• Allow external memory as an argument to xTaskCreateStatic (READ HELP)
  允许将外部内存（如 SPI RAM）作为参数传递给 xTaskCreateStatic()（静态创建任务的 API），即任务的栈和控制块可存储在外部内存中（需确保外部内存的访问速度和稳定性）。

有如下更改：

100对应的节拍周期是10ms，1000对应的节拍周期是1ms

7.保存SDK配置后，ctrl+shift+p打开分区表编辑器

这是 ESP-IDF Partition Table Editor（ESP-IDF 分区表编辑器） 的界面，用于可视化配置 ESP32/ESP32-S3 等设备的 Flash 分区表。以下逐行解释核心内容：

1. 界面标题与功能说明

• ESP-IDF Partition Table Editor
  标题：明确这是 ESP-IDF 框架的分区表可视化工具。
• Partition Editor can help you to easily edit, build & flash partition table through GUI...
  功能说明：无需手动编辑 CSV 文件，可通过图形界面（GUI）轻松编辑、构建和烧录分区表。

2. 操作按钮（右上角）

• Select Flash Method
  选择烧录方式：指定如何将分区表烧录到设备（如串口、JTAG 等）。
• Build
  构建：根据当前配置生成分区表二进制文件（.bin）。
• Flash
  烧录：将生成的分区表二进制文件烧录到设备的 Flash 中。

3. 分区表配置区域

表格中每行对应一个 Flash 分区，包含以下字段：

字段 1：Name（分区名称）

• nvs：Non-Volatile Storage（非易失性存储）分区，用于保存设备配置、键值对数据（如 WiFi 密码、自定义参数）。
• phy_init：PHY（物理层）初始化数据分区，存储 WiFi / 蓝牙射频的校准参数。
• factory：工厂应用分区，存储默认的固件镜像（设备首次启动或恢复出厂设置时运行的程序）。
• vfs：Virtual File System（虚拟文件系统）分区，类型为 fat（FAT 文件系统），可用于存储文件（如配置文件、日志）。
• storage：自定义存储分区，类型为 spiffs（SPIFFS 文件系统），适合嵌入式设备的轻量级文件存储。

字段 2：Type（分区类型）

• data：数据分区（存储配置、文件系统等非程序数据）。
• app：应用分区（存储固件程序，可被 Bootloader 加载运行）。

字段 3：Sub Type（子类型）

• nvs：对应 nvs 分区，标识该数据分区用于 NVS。
• phy：对应 phy_init 分区，标识该数据分区用于 PHY 初始化。
• factory：对应 factory 分区，标识该应用分区为工厂固件。
• fat：对应 vfs 分区，标识该数据分区使用 FAT 文件系统。
• spiffs：对应 storage 分区，标识该数据分区使用 SPIFFS 文件系统。

字段 4：Offset（分区起始偏移）

• 如 0x9000、0xF000 等，表示该分区在 Flash 中的起始地址（相对于 Flash 起始位置）。
• 需注意分区之间不能重叠，且需符合 Flash 擦除块（erase block）对齐要求。

字段 5：Size（分区大小）

• 如 0x6000（24KB）、0x1F0000（2,048KB = 2MB）等，表示该分区占用的 Flash 空间大小。

字段 6：Encrypted（加密）

• 复选框：启用后，该分区数据会被加密（需配合 ESP-IDF 的安全机制，如 Secure Boot、Flash 加密）。

字段 7：×（删除按钮）

• 点击可删除对应分区的配置。

4. 关键分区的作用

• nvs：必选分区，用于保存设备运行时的配置（掉电不丢失）。
• phy_init：必选分区（若使用 WiFi / 蓝牙），存储射频校准参数，确保无线通信稳定。
• factory：必选分区，存储默认固件，设备启动时 Bootloader 会优先加载此分区的程序。
• vfs（FAT）：可选分区，适合存储文件（如文本、二进制数据），支持电脑直接挂载访问。
• storage（SPIFFS）：可选分区，轻量级文件系统，适合嵌入式设备（无需复杂的文件系统支持）。

5. 实际应用场景

• 分区表的作用：将 Flash 划分为多个逻辑区域，分别存储程序、配置、文件系统等，让不同功能的数据互不干扰。
• 修改注意事项：
  • 调整分区大小或偏移时，需确保 Flash 总容量足够（如 ESP32-S3-N16R8 的 Flash 是 16MB）。
  • 若新增文件系统分区（如 vfs、storage），需在代码中初始化对应的文件系统（如 esp_vfs_fat_mount() 或 esp_spiffs_mount()）。
  • 烧录新分区表后，若覆盖了原有数据分区（如 nvs），可能导致配置丢失，需谨慎操作。

简单说，这个界面让你可视化管理 ESP32 设备的 Flash 分区，像分硬盘区一样把 Flash 划给固件、配置、文件系统等不同功能使用，避免手动写 CSV 配置的麻烦～

分区如下：

8.编译烧写

头文件报红问题：

验证了程序正常，但是这里头文件报红是因为VSCode里找不到组件文件，需要配置一下路径，这个组件的位置其实是在ESP-IDF里带的组件源码

方法一：

（1）可以在文件夹.vscode下手动添加c_cpp_properties.json，或者点击VSCode的右下角的WIN32点击JSON可以得到自动生成的c_cpp_properties.json文件

（2）\"D:/Espressif/frameworks/esp-idf-v5.4/components\"你需要将你安装的ESP-IDF里的组件路径导入VSCode的json配置文件里，然后如果还有波浪线需要使用VSCode的自带的快速修复自动添加路径。

方法二：

按下ctrl+shift+P，输入Add VS Code Configuration Folder，然后VSCode会把我们自动配置路径，以及更好地完善组件文件与用户文件地内联关系，可以自己去看看，了解一下。

结果：

11.bsp_led和main的CMakeLists分别需要补充依赖

bsp_led

# idf_component_register(SRCS \"bsp_led.c\"#  INCLUDE_DIRS \"include\")idf_component_register( SRCS \"bsp_led.c\" # 合并两个源文件 INCLUDE_DIRS \"include\" # 合并头文件目录 REQUIRES driver  # 声明依赖 driver 组件)

main

idf_component_register(SRCS \"ESP32_Example.c\"  INCLUDE_DIRS \".\"  REQUIRES bsp_led )

10.编写点灯测试代码

bsp_led.c

#include #include \"freertos/FreeRTOS.h\"#include \"freertos/task.h\"#include \"driver/gpio.h\"#include \"bsp_led.h\"void bsp_led_init(void){ // 设置GPIO1为输出 gpio_set_direction(GPIO_NUM_1, GPIO_MODE_OUTPUT); // // GPIO配置结构体 // gpio_config_t io_conf = { // .pin_bit_mask = (1ULL<<GPIO_NUM_1), // 选择GPIO1 // .mode = GPIO_MODE_OUTPUT,  // 设置为输出模式 // .pull_up_en = GPIO_PULLUP_ENABLE, // 启用上拉 // .pull_down_en = GPIO_PULLDOWN_DISABLE, // 禁用下拉 // .intr_type = GPIO_INTR_DISABLE // 禁用中断 // }; // // 配置GPIO // esp_err_t ret = gpio_config(&io_conf); // if (ret != ESP_OK) { // printf(\"GPIO配置失败\\n\"); // }}void bsp_led_toggle(void){ // 切换GPIO1的状态 gpio_set_level(GPIO_NUM_1, !gpio_get_level(GPIO_NUM_1)); //vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000)); // 延时1秒}

main.c(ESP32_Example.c)

#include \"freertos/FreeRTOS.h\"#include \"freertos/task.h\"// #include \"nvs_flash.h\"#include \"esp_system.h\"#include \"esp_chip_info.h\"// #include \"esp_psram.h\"// #include \"esp_flash.h\"#include \"bsp_led.h\" /* 包含 LED 头文件 *//*** @brief 程序入口* @param 无* @retval 无*/void app_main(void){// esp_err_t ret;// uint32_t flash_size;// esp_chip_info_t chip_info; /* 定义芯片信息结构体变量 */// ret = nvs_flash_init(); /* 初始化 NVS */// if (ret == ESP_ERR_NVS_NO_FREE_PAGES || ret == ESP_ERR_NVS_NEW_VERSION_FOUND)// {// ESP_ERROR_CHECK(nvs_flash_erase());// ret = nvs_flash_init();// }// esp_flash_get_size(NULL, &flash_size); /* 获取 FLASH 大小 */// esp_chip_info(&chip_info);// printf(\"内核： cup 数量%d\\n\",chip_info.cores); /* 获取 CPU 内核数并显示 */// /* 获取 FLASH 大小并显示 */// printf(\"FLASH size:%ld MB flash\\n\",flash_size / (1024 * 1024));// /* 获取 PARAM 大小并显示 */// printf(\"PSRAM size: %d bytes\\n\", esp_psram_get_size());bsp_led_init(); /* 初始化 LED */while(1){printf(\"Hello-ESP32\\r\\n\");bsp_led_toggle(); /* 切换 LED 状态 */vTaskDelay(1000);}}

参考链接：
       【正点原子】手把手教你学ESP32S3快速入门
       ESP32的ESP-IDF在VScode工程下，头文件标红警告、报错、无法跳转