ESP8266 - Arduino 知识整理

整理在做毕业设计过程中学到的知识，经常使用的文档、网站：

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• 太极创客 ESP8266开发资料

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  下表显示了丝印标签和GPIO编号之间的对应关系、最适合使用的引脚，以及需要谨慎使用的引脚。用“√ ”标出的引脚可以使用。“※”可以使用，但是需要注意：它们在启动时有意料之外的行为。“×”的引脚不建议用作输入或输出。

丝印标签	GPIO	输入	输出	Notes
D0	GPIO16	×	没有PWM，不支持I2C	启动时高电平，用来唤醒深度睡眠
D1	GPIO5	√	√	SCL
D2	GPIO4	√	√	SDA
D3	GPIO0	上拉	√	连接到FLASH，如果下拉会启动失败
D4	GPIO2	上拉	√	连接到板载LED，如果下拉会启动失败
D5	GPIO14	√	√	SPI（ SCLK ）
D6	GPIO12	√	√	SPI（ MISO）
D7	GPIO13	√	√	SPI（ MOSI ）
D8	GPIO15		※	SPI（ CS ） 如果上拉，启动失败
RX	GPIO3	※	RX引脚	启动时高电平
TX	GPIO1	×	※	启动时高电平，输出debug信息； 如果拉低则启动失败
A0	ADC0	模拟输入	×	分辨率：10bit

1. 引脚

1.1 启动时使用的引脚

​​ 如果某些引脚被拉低或高，ESP8266 启动会被阻止。以下列表显示启动时引脚的状态：

GPIO	状态
GPIO0	拉低，启动失败
GPIO1	拉低，启动失败
GPIO2	拉低，启动失败
GPIO3	启动高电平
GPIO9	启动高电平
GPIO10	启动高电平
GPIO15	拉高，启动失败
GPIO16	启动高电平

1.2 启动时输出高电平的引脚

​ ​ 当 ESP8266 启动时，某些引脚会输出 3.3V。如果有继电器或其他外设与这些 GPIO 相连可能会有问题。以下 GPIO 在引导上输出高信号：GPIO1、GPIO3、GPIO9、GPIO10、GPIO16。 继电器通常与 GPIO5 和 GPIO4相连。

1.3 RST 引脚

 ​ 当 RST 引脚拉低时，ESP8266 将重置。这与按下机载RST按钮相同。

1.4 GPIO0

 ​ 当 GPIO0 被拉低时，它会将 ESP8266 设置为引导加载器模式。这与按下机载FLASH/ BOOT按钮相同。

1.5 GPIO16

 ​ 用于从深度睡眠中唤醒 ESP8266。要从深度睡眠中唤醒 ESP8266，GPIO16 应连接到 RST 引脚。

1.6 中断引脚

除GPIO16 都可设置中断，慎用、不用3（D3连接到FLASH）

2. ADC输入电压范围

• ESP8266 开发板的 ADC 电压范围：0 - 3.3V（例如：ESP8266 12-E NodeMCU Kit、WeMos D1 Mini）

• ESP8266 芯片中的 ADC 电压范围：0-到 1V（例如：ESP-07 芯片、ESP-12E 芯片）

3.中断

attachInterrupt (digitalPinToInterrupt(GPIO), ISR, mode)

• digitalPinToInterrupt(GPIO) ：中断引脚，除GPIO16都可以设置中断。
  eg: digitalPinToInterrupt(14)

• ISR : 中断服务例程。功能应尽可能简单，以便处理器快速恢复主程序的执行。最好的方法是使用全局变量、在 loop() 中检查并清除该标志并执行代码。

• mode : 中断模式。

  • CHANGE：引脚电平值改变时触发中断
  • FALLNG：引脚电平从高到低时触发中断
  • RISING：引脚电平从低到高时触发中断

ISR 需要有 ICACHE_RAM_ATTR 修饰，如果没有该属性会在attachInterrupt部分报错。如下是HX711的一个中断实例：

//HX711的中断处理函数
 ICACHE_RAM_ATTR void dataReadyISR() {
   if (LoadCell.update()) {
     newDataReady = 1;
   }
 }

※Notes：

1. 中断过程中不能调用delay( )或yield( )，或调用内部使用delay()或yield( )的任何例程。
2. 长时间运行（> 1ms）的中断任务将导致程序不稳定或崩溃。如果中断被长时间运行的中断阻塞，WiFi和核心的其他部分可能会变得不稳定。如果有很多事情要做，可以设置一个易失的全局标志，以便主循环loop()检查或者使用scheduled 函数（在安全的情况下在中断上下文之外调用该函数）来进行长时间运行的工作。
3. 内存操作是危险的，应该在中断中避免。尽量减少对new或malloc的调用。因为如果内存被分割，可能需要很长的运行时间。出于同样的原因，realloc和free绝对不能被调用，也不能使用任何调用free或realloc本身的例程或对象。这意味着使用String、std:string 、std::vector和其他可调整大小的连续内存的类时必须非常小心(确保不改变字符串，不添加vector元素，等等)。

4.深度睡眠

1. 使用 ESP.deepSleep(μs) 将 ESP8266 置于深度睡眠模式，通过传参设置睡眠时间。GPIO 16 必须连接到RST引脚才能将ESP8266唤醒。
2. 将ESP8266置于深度睡眠模式，无限期使用ESP.deepSleep(0)。当 RST 引脚收到低信号时，ESP8266 将唤醒。
3. 睡眠模式有三种不同类型：modem sleep、light sleep、deep sleep。下表显示了每个模式之间的差异。
4. 唤醒来源
   • 定时器唤醒：ESP8266在预先定义的时间段后自行唤醒
   • 外部唤醒：ESP8266 在按 RST 按钮时唤醒（ESP8266 重新启动）

// ESP8266 Deep sleep mode example
void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Serial.setTimeout(2000);

  // Wait for serial to initialize.
  while(!Serial) { }

  ///深度睡眠模式，直到RESET引脚连接到一个低电平
  Serial.println("I'm awake, but I'm going into deep sleep mode until RESET pin is connected to a LOW signal");
  ESP.deepSleep(0); 
}

void loop() {

}

5. 串口

  该Serial对象的工作方式与常规Arduino相同。除了硬件FIFO（用于TX和RX的128字节）之外，Serial还有一个可定制256字节的RX缓冲区。用户可以通过在begin()之前调用函数setRxBufferSize(size_t size)更改RX缓冲区的大小。size参数至少应足够大以容纳读取接收到的所有数据。
  接收是由中断驱动的，但发送轮询和繁忙等待。阻塞行为如下：如果字节数适合TX FIFO（先入先出队列，常见的数据结构，不懂自行搜索）中的当前空间，则::write()调用不会阻塞。如果TX FIFO已满，则调用将阻塞，并等待直到有空间再向其中写入更多字节，直到所有字节被写入为止。换句话说，当调用返回时，所有字节均已写入TX FIFO，但这并不意味着所有字节均已通过串行线路发送出去。
  read()调用不会阻塞，即使没有可供读取的字节也不会阻塞。但是 readBytes（）调用会阻塞，直到读取的字节数符合传入的参数所需的字节数为止。
   flush（）调用会阻塞，等待TX FIFO为空再返回。

※Notes：
  HardwareSerial类有Serial和Serial1两个对象。
  Serial使用UART0 (TX 、RX)，该UART0映射到GPIO1（TX）和GPIO3（RX）引脚。通过在Serial.begin之后调用Serial.swap()可以将串口重新映射到GPIO15（TX（D8））和GPIO13（RX（D7）） 。再次调用swap将UART0映射回GPIO1和GPIO3。
  Serial1使用UART1，TX引脚为GPIO2（D4）。UART1不能用于接收数据，因为通常它的RX引脚被用于闪存芯片连接。要使用Serial1，需要配置Serial1.begin(baudrate)。
如果未使用Serial1并且未交换Serial-UART0的TX可以通过在Serial.begin之后调用Serial.set_tx（2）或直接通过Serial.begin（baud，config，mode，2）将UART0的TX引脚映射到GPIO2（D4）。

  默认情况下，调用Serial.begin()，WiFi库的诊断输出是禁用的。要启用调试输出，需要调用 Serial.setDebugOutput(true)。要将调试输出重定向到Serial1 ，请调用Serial1.setDebugOutput(true)。
  使用Serial.setDebugOutput(true)启用printf()功能的输出。
  Serial与Serial1对象支持5，6，7，8个数据位，奇、偶、无校验位，和1、2个停止位。通过调用Serial.begin(baudrate, SERIAL_8N1)或Serial.begin(baudrate, SERIAL_8N1)设置预期的工作模式。默认配置模式为SERIAL_8N1。可选的模式有SERIAL_[5 6 7 8][ N E O][1 2]。例如:SERIAL_8N1为8位数据位，无校验位，1位停止位。

6. 文件系统

  保留了自己用到的，如果需要详细了解文件系统可以配合翻译软件查看ESP8266-Arduino Core 官方文档
  

6.1 FLASH布局

​  文件系统与程序存储在同一FLASH中，编写新 sketch 不会修改文件系统内容。这允许使用文件系统来存储 sketch 数据，配置文件或Web服务器的内容。下图说明了Arduino环境中的 Flash 布局：
要在sketch中使用文件系统功能，需要添加以下内容：

#include "FS.h" 	  // SPIFFS is declared
#include "LittleFS.h" // LittleFS is declared

6.2 SPIFFS和LittleFS

在ESP8266上有两个板载Flash的文件系统：SPIFFS、LittleFS。

• SPIFFS 是原始文件系统，适合空间和RAM受限的应用程序，但是不是真正的目录支持， 在未来版本将会逐渐弃用。

• LittleFS 支持实际的目录，大多数操作的速度要比 SPIFFS 快很多倍，但文件系统和每个文件的开销更大（最小4K，而SPIFFS最小256字节）。

• SPIFFS 和 LittleFS 的函数调用接口 API 是兼容的，但在 flash 上的实现并不一样。如果在 LittleFS 下挂载 SPIFFS 可能会导致格式化，不会保留任何文件，反之亦然。

   从这两个文件系统返回的对象 File 和 Dir 是一样的，将应用程序从SPIFFS 转换为LittleFS，只需将 SPIFFS.begin() 更改为 LittleFS.begin()；SPIFFS.open() 改为 LittleFS.open()，其余代码可以保持不变。

6.2.1 SPIFFS文件系统限制

   ESP8266的SPIFFS实现必须适应芯片的限制，其中包括有限的RAM。 SPIFFS是为小型系统设计的，但这是以简化和限制为代价的。
​   1、SPIFFS不支持目录，它只存储一个“扁平”的文件列表。但是与传统文件系统相反，文件名中允许使用'/'，因此处理目录列表 ( eg:openDir("/website") )的功能基本是过滤文件名，并保留以/website/请求的前缀开头的文件名。
​   2、文件名总共不能超过32个字符。'\0'为C字符串终止保留的，因此我们剩下31个可用字符。这意味着要尽量使用短文件名，而不要使用深度嵌套的目录，因为每个文件的完整路径（包括目录，'/'字符，基本名称，点和扩展名）最多不能超过31个字符。例如，文件名 /website/images/bird_thumbnail.jpg是34个字符，如果使用，将导致一些问题。例如：在另一个文件以相同的前31个字符开头的情况下使用exists()。

Notes：很容易达到限制，并且如果忽略该问题。由于在编译或运行时都不会出现错误消息，因此可能不会引起注意。有关SPIFFS实现内部细节的更多信息，请参见 SPIFFS自述。

6.2.2 LittleFS文件系统的局限性

  ESP8266的LittleFS实现支持最多31个字符+以零结尾的文件名(即 char filename[32])，以及空间允许的尽可能多的子目录。
  如果不存在“ /”，则假定文件名位于根目录中。
  在子目录中打开文件需要指定文件的完整路径eg: open("/sub/dir/file.txt");当在子目录中创建文件时，会自动创建子目录；当删除子目录中的最后一个文件时，会自动删除子目录本身。现有的SPIFFS文件系统中没有mkdir() 方法。
  与SPIFFS不同，实际文件描述符是根据应用程序的请求分配的，因此在内存不足的情况下，可能无法打开新文件。相反，这也意味着只有使用的文件描述符实际上会在堆上占用空间。
  由于存在目录，因此openDir方法的行为不同于SPIFFS。遍历a时, SPIFFS返回“子目录”中的文件Dir::next()（实际上并不是子目录，而只是名称中带有“ /”的文件），而LittleFS仅返回特定子目录中的文件。

6.3 将文件上传到文件系统

  ESP8266FS 是一个集成到Arduino IDE中的工具。它在菜单栏“工具”中添加了一个菜单项，用于将sketch的 data 目录的内容上传到ESP8266 Flash文件系统中。ESP8266LittleFS 与 ESP8266FS 等效，使用方法一样，具体步骤如下：

• 下载 ESP8266FS、ESP8266LittleFS

• 在 Arduino 的工作目录下，创建 tools 目录

• 压缩包解压到 tools 中，如果要升级，直接覆盖现有的就可以

• 重新启动Arduino IDE，然后打开、创建一个sketch

• 转到sketch目录（选择“sketch”>“显示sketch文件夹”）

• 在sketch文件夹下中创建一个名为data的目录，将需要上传的文件放入其中

• 选择好开发板、端口，并且关闭串行监视器 (上传文件过程中若开着串口监视器会报错)

• 上传sketch，选择 “工具> ESP8266 sketch Data Upload”，将文件上传到ESP8266 Flash文件系统中。完成后，IDE状态栏将显示消息SPIFFS Image Uploaded

7. ESP8266常用库

7.1 SPI

  SPI库支持整个Arduino SPI API，包括事务，包括设置阶段（CPHA）。目前尚不支持设置时钟极性（CPOL）（SPI_MODE2和SPI_MODE3不起作用）。
  常用的SPI引脚为：
   MOSI = GPIO13 （D7）
   MISO = GPIO12 （D6）
   SCLK = GPIO14 （D5）
  有一个扩展模式，将普通引脚交换为SPI0硬件引脚。通过在调用SPI.begin()之前调用SPI.pins(6, 7, 8, 0) 来启用此功能。引脚将变为：
   MOSI = SD1
   MISO = SD0
   SCLK = CLK
   HWCS = GPIO0
  此模式与控制器共享SPI引脚，该控制器从FLASH读取程序代码，并由硬件仲裁器控制（FLASH始终具有更高的优先级）。在这种模式下，CS将由硬件控制，因为无法使用GPIO处理CS线路，实际上并不知道仲裁器会何时将授予访问总线的权限，因此必须让它自动处理CS。