ESP 系列的产品 ULP 协处理器的应用

参考文档：

  • 《ESP32-S2 技术参考手册》 中 “1. 超低功耗协处理器 (ULP)” 章节
  • 《ESP32-S3 技术参考手册》 中 “2 超低功耗协处理器 (ULP­FSM, ULP­RISC­V)” 章节
  • 《ESP32-C6 技术参考手册》 中 “3 低功耗处理器” 章节
  • ULP 协处理器编程
  • ULP RISC-V 协处理器编程
  • Programming ULP FSM coprocessor using C macros (legacy)
  • ESP32-S3 ULP coprocessor instruction set
  • ULP 例程：esp-idf/examples/system/ulp
  • ULP FSM 例程：esp-iot-solution/examples/ulp_examples
  • 什么是 ULP 超低功耗协处理器?
  • 支持 ULP （超低功耗）协处理器的产品有哪些？
  • ULP-RISC-V 协处理器与 ULP-FSM 协处理器的区别
  • ULP-FSM 与 ULP-RISC-V 支持的具体特性
  • ESP32-S2 、ESP32-S3 与 ESP32-C6 的 ULP-FSM 与 ULP­-RISC­V 协处理器对比
  • ULP-RISC-V 协处理器工作流程
  • ULP-RISC-V 协处理器的具体应用
  • ULP 应用与 DeepSleep 的功耗对比

什么是 ULP （Ultra Low Power）超低功耗协处理器?


ULP 超低功耗协处理器 (ULP, Ultra-Low-Power coprocessor) 是一种功耗极低的处理器设备，可在芯片进入 Deepsleep 时保持上电，允许开发者将 ULP 协处理器的程序存放在 RTC 慢速存储器中，使其能够在 Deep-sleep 模式下访问 RTC 外设、内部传感器及 RTC 寄存器。在对功耗敏感的场景下，主 CPU 处于睡眠状态以降低功耗，ULP 协处理器可以由协处理器定时器唤醒，通过控制 RTC GPIO、RTC I2C、SAR ADC、温度传感器 (TSENS) 等外设监测外部环境或与外部电路进行交互，并在达到唤醒条件时主动唤醒主 CPU。

无论主 CPU 是否处于休眠状态，ULP 协处理器可独立于主 CPU 运行，是主 CPU 的有力补充，甚至可以在一些功耗敏感的设计中取代 主CPU。

支持 ULP （超低功耗）协处理器的产品有哪些？


产品ESP8266ESP32ESP32-S2ESP32-S3ESP32-C2ESP32-C3ESP32-C5ESP32-C6ESP32-H2
ULPNOYesYesYesNONOYesYesNO

ULP-RISC-V 协处理器与 ULP-FSM 协处理器的区别


目前，我们的产品提供了两种类型的 ULP 协处理器，分别是：

  • ULP-RISC-V （发音为"risk five"）协处理器：基于 RISC-V 指令集 (ULP-RISC-V)
  • ULP-FSM （Finite State Machine）协处理器：基于有限状态机 FSM 架构 (ULP-FSM)
产品ESP32ESP32-S2ESP32-S3ESP32-C5ESP32-C6
ULP_FSMYesYesYesNONO
ULP_RISC-VNOYesYesYesYes

注意：两个 ULP 协处理器不能同时使用。用户只能选择其中一个 ULP 超低功耗协处理器工作。

ULP-FSM 与 ULP-RISC-V 的特性


ULP-FSM 协处理器不支持高级语言，用户需使用 ULP-FSM 专门指令集进行编程（汇编语言编写（必须使用 .S 扩展名））
在这里插入图片描述

  • ULP-­FSM 协处理器具有以下特性：

    • 支持常用指令，包括运算、跳转、控制等
    • 支持传感器专用指令
    • 支持被主 CPU、专用定时器、RTC GPIO 启动

ULP-RISC-V 协处理器支持用户使用 C 语言（或汇编语言）编写程序，然后使用编译器（基于 GCC 的 RISC-V 工具链）将程序编译成 RV32IMC 标准指令码。
在这里插入图片描述

  • ULP­-RISC­V 协处理器具有以下特性：
    • 支持 RV32IMC 指令集
    • 32 个 32 位通用寄存器
    • 32 位乘除法器
    • 支持中断
    • 支持被主 CPU、专用定时器、RTC GPIO 启动

ESP32-S2 、ESP32-S3 与 ESP32-C6 的 ULP-FSM 与 ULP­-RISC­V 协处理器对比

在这里插入图片描述

ULP-RISC-V 协处理器工作流程

在这里插入图片描述

  • 编写 ULP 协处理器运行的用户程序
  • 使用 ulp_riscv_load_binary() 将程序下载到 ULP 存储器中，即 RTC_SLOW_MEM
  • 使用 ulp_set_wakeup_period() 设置 ULP 定时器唤醒时间周期，即通过 ULP 定时器定时唤醒 ULP­-RISC­V 协处理器
  • 使用 ulp_riscv_run 运行 ULP­-RISC­V 协处理器的用户程序。
  • 使用 esp_sleep_enable_ulp_wakeup() 使能 ULP 唤醒源，用于唤醒 DeepSleep 模式

在这里插入图片描述

  • 使用 esp_deep_sleep_start() 进入 deepsleep 模式

ULP-RISC-V 协处理器的具体应用

ESP32-S2 与 ESP32-S3 的 ULP-RISC-V 协处理器应用例程

  • esp-idf/examples/system/ulp/ulp_riscv/gpio

通过检测 RTC GPIO 的电平状态来唤醒 Deepsleep

  • esp-idf/examples/system/ulp/ulp_riscv/gpio_interrupt

这里的程序看上去使用 RTC GPIO 中断来唤醒 ULP-RISC-V 协处理器的，但其实 ULP-RISC-V 协处理器只有一个唤醒源就是 ULP Timer，但是这个 ULP Timer 可以通过软件设置触发或者 RTC GPIO 中断触发，也就是整个唤醒过程是 RTC GPIO 中断 --> ULP Timer --> ULP ULP-RISC-V 协处理器，可以理解为是利用 RTC GPIO 间接唤醒了 ULP ULP-RISC-V 协处理器。

  • esp-idf/examples/system/ulp/ulp_riscv/adc

通过检测 RTC ADC 通道的电压大小，当电压达到软件设置的 ADC 阈值时将唤醒 Deepsleep

  • esp-idf/examples/system/ulp/ulp_riscv/uart_print

演示了对 ULP-RISC-V 协处理器进行编程以对 UART TX 线进行位控制。即使主 CPU 处于深度睡眠状态，也可用于直接记录来自 ULP 的输出。

  • esp-idf/examples/system/ulp/ulp_riscv/i2c

使用 ULP 协处理器在低功耗模式下模拟 I2C 主机读取 BMP180 温度传感器和压力传感器的数据。定期测量 BMP180 传感器的温度和压力值，并在值高于某个阈值时唤醒主 CPU。
适用场景：

  • 健康监测：比如心率、血氧传感器，当数据高于某个阈值时唤醒 CPU，进行上报，以检测身体状态。
  • 消防安全：比如烟雾监测传感器，当烟雾达到一定浓度时，唤醒 CPU 进行报警。
  • 工业环境：比如恒温车间，通过温度传感器监测环境温度，当温度高于某个阈值时，唤醒 CPU 进行报警。
  • 畜牧养殖：比如孵化小鸡，通过光照传感器监测光照强度，当光照强度高于某个阈值时，唤醒 CPU 停止外部光照
  • esp-idf/examples/system/ulp/ulp_riscv/touch

对 ULP RISC-V 协处理器进行编程以读取触摸板传感器。

  • 水位监测：比如鱼缸应用，通过设置不同高度的触摸滑条，来监测水位，当水位到达设定的触摸滑条高度时，唤醒 CPU 停止外部供水。
  • esp-idf/examples/system/ulp/ulp_riscv/ds18b20_onewire

通过 RTC GPIO 模拟 OneWire 协议来读取 DS18B20 温度传感器的数据，当数据超过设定的限制时，唤醒 CPU 进行数据上报。

ESP32-C6 的 ULP-RISC-V 协处理器应用例程

  • esp-idf/examples/system/ulp/lp_core/gpio

  • esp-idf/examples/system/ulp/lp_core/lp_i2c

  • LP_I2C 和 I2C 的功能差异如下：

    在这里插入图片描述

  • LP I2C 可以在 HP CPU 下运行，使用 LP I2C 只需要注意：

    • 硬件上需要使用 LP I2C 管脚
    • lp_i2c_num 设置为 LP_I2C_NUM_0
    • LP I2C 默认使用 RC_FAST_CLK，如果需要改为 XTAL_CLK ，则在 i2c_config_t 里配置 .soc_periph_i2c_clk_src_t = I2C_CLK_SRC_XTAL； 即可。
    • LP I2C 相关的 API 带有 LP 前缀的，比如 i2c_master_init() 和 i2c_slave_init() 是 I2C 可使用；lp_core_i2c_master_init() 是 LP I2C 可使用。
  • esp-idf/examples/system/ulp/lp_core/lp_uart/lp_uart_echo
  • esp-idf/examples/system/ulp/lp_core/lp_uart/lp_uart_print

ESP32-C6 的 UART 控制器与 LP UART 控制器的特性区分见下表：

在这里插入图片描述

  • LP UART 可以在 HP CPU 下运行，使用 LP UART 只需要注意：
    • 硬件上需要使用 LP UART 管脚
    • lp_uart_num 设置为 LP_UART_NUM_0
    • LP UART 默认使用 RC_FAST_CLK，如果需要改为 XTAL_CLK ，则在 uart_config_t 里配置 .lp_source_clk = LP_UART_SCLK_XTAL_D2； 即可。
    • LP UART 相关的 API 带有 LP 前缀的，比如 uart_read_bytes() 和 uart_write_bytes() 是 UART 可使用；lp_core_uart_write_bytes() 和 lp_core_uart_read_bytes() 是 LP UART 可使用。

ULP-RISC-V 应用与 Deepsleep 功耗对比

在 Deep Sleep 模式下使用 ULP 协处理器，底电流的大小和 Deep Sleep 相同，同时从图中可以看出，还会有定期的 ULP 处理器唤醒的功耗。因此平均功耗比起普通的 Deep Sleep 要高一点，但是当唤醒的间隔足够长时，就无限接近于 Deep Sleep 的底电流。

在这里插入图片描述

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