第六章 MicroPython固件编译
本章将向读者介绍MicroPython ESP32固件编译的详细步骤和过程。我们将从准备工作开始，逐步指导开发者完成固件编译的各个环节。通过阅读本章，开发者将了解MicroPython固件编译的基本原理、所需工具和文件，以及编译过程中的注意事项和技巧。
本章分为如下几个小节：
6.1 搭建编译环境
6.2 编译ESP32-S3固件
6.3 总结
6.1 搭建编译环境
自编译MicroPython ESP32-S3固件需要搭建两个开发环境，一个是Linux环境，另一个是ESP-IDF环境。这两个环境是必需的，因为MicroPython ESP32固件依赖于它们进行编译。下面是对这两个环境的搭建流程的介绍。
6.1.1 Linux环境搭建
Linux环境的搭建有三种方式。第一种是使用VMware虚拟机并安装Ubuntu系统来搭建，第二种是安装多个操作系统，每次重启电脑时根据需要进行选择进入，第三种是在Windows系统下安装WSL Ubuntu子系统。前两种方式属于比较完整的安装方式，都可以有图形用户界面，适合对图形界面有需求的同学。而最后一种Linux子系统的方式，安装和运行最快，但是只有命令行，适合Linux老手或者对图形界面需求不大的用户。
考虑到不需要安装VMware虚拟机且安装多个操作系统，本文介绍的是最后一种方式，如何在Windows上安装ubuntu linux子系统。本机是Windows10系统。
一、下载ubuntu子系统
进入Windows store 微软商城，输入关键词ubuntu，即可找到多个版本的ubuntu子系统，如下图所示。
图6.1.1.1 下载Ubuntu
这里作者选的是Ubuntu22.04.2 LTS版本。点进去下载安装。接着我们打开linux子系统功能，如下步骤所示：
打开电脑设置（快捷键为 WIN + i），如下图所示。
图6.1.1.2 Windown设置
在上图中，点击“应用”选项，进入应用和功能界面，如下图所示。
图6.1.1.3 应用和功能界面
在上图中，点击可选功能，进入可选功能界面，接着往下找到更多Windowns功能选项，并且点击进入，如下图所示。
图6.1.1.4 打开Windows功能
在此界面下找到“适用Linux的windown子系统”选项，我们必须勾选这个选项，否则无法启动子系统，最后重启系统即可。
重启完毕后，需要进行一下账户配置。我们还是从微软商城中进入，找到我们刚刚安装的Ubuntu22.04.2 LTS，点击“打开”。此时会提示正在安装，安装完毕后，会让您输入一个用户名，并配置密码，按照提示进行配置，最后进入Ubuntu22.04.2 LTS系统，如下图所示。
6.1.1.5 配置用户名称和密码
二、WSL子系统搬迁
Windows Store 微软商城安装的APP都默认被安装在C盘，然而C盘是我们电脑重要的磁盘，如果C盘空间满了，会影响电脑运行。因此，我们最好将子系统搬离C盘，也就是说，不使用C盘来存放文件。在这里，作者将子系统搬到D盘存储。
WSL子系统搬迁流程，如下所示：
1，查询WSL系统状态。使用管理员身份打开CMD命令行，并在命令行输入“wsl -l -v”查看wsl虚拟机的名称和状态，如下图所示。
图6.1.1.6 wsl虚拟机的名称与状态
从上图可知，作者安装了两个WSL Ubuntu子系统，它们分别为Ubuntu和Ubuntu-22.04，目前它们的状态分别为停止状态和运行状态。下面，作者将以Ubuntu-22.04为例，说明如何将其搬迁到D盘。
2，停止WSL子系统。输入wsl --shutdown使Ubuntu-22.04停止运行，再次使用wsl -l -v确保其处于stopped状态，如下图所示。
图6.1.1.7 Ubuntu-22.04停止运行
3，导出/恢复备份。在D盘创建一个文件夹用来存放新的WSL，比如作者创建了一个 D:\Ubuntu_WSL文件夹。
①：导出它的备份（比如命名为Ubuntu.tar）。在CMD命令行下输入“wsl --export Ubuntu-22.04 D:\Ubuntu_WSL\Ubuntu.tar”。
②：确定在D:\Ubuntu_WSL下是否可看见备份Ubuntu.tar文件，如下图所示那样，之后注销原有的WSL。在CMD命令行输入“wsl --unregister Ubuntu-22.04”注销原本的WSL。
图6.1.1.8 在D:\Ubuntu_WSL目录下生成Ubuntu.tar文件
③：将备份文件恢复到D:\Ubuntu_WSL中去。在CMD命令行下输入“wsl --import Ubuntu-22.04 D:\Ubuntu_WSL D:\Ubuntu_WSL\Ubuntu.tar”恢复备份文件，如下图所示。
图6.1.1.9 恢复WSL备份
这时候启动WSL，发现好像已经恢复正常了，但是用户变成了root，如下图所示。
图6.1.1.10 启动Ubuntu-22.04
在使用git工具进行代码版本管理时，特别是在克隆开源市场中的Github仓库时，可能会遇到超时或失败的问题。这主要是因为国内网络连接国外服务器可能会显得冗余。为了解决这个问题，作者介绍了一种加速方法，可以帮助大家更好地搭建MicroPython环境。这种方法的具体操作步骤如下：
①：在Ubuntu子系统上输入以下命令来解析github.com的IP地址。
nslookup github.com
解析完成之后，我们得到了Github仓库的IP地址，如下图所示。
图6.1.1.11 解析github仓库
②：修改hosts文件，该文件位于路径是：C:\Windows\System32\drivers\etc。添加内容如下。
# GitHub520 Host Start 140.82.112.4 alive.github.com 140.82.112.4 live.github.com 18.207.134.67 github.githubassets.com 140.82.112.4 central.github.com 3.220.169.176 desktop.githubusercontent.com 140.82.112.4 assets-cdn.github.com 3.238.132.1 camo.githubusercontent.com 151.101.1.6 github.map.fastly.net 151.101.1.6 github.global.ssl.fastly.net 140.82.112.4 gist.github.com 185.199.108.153 github.io 20.205.243.166 github.com 192.0.66.2 github.blog 140.82.112.4 api.github.com 18.212.214.173 raw.githubusercontent.com 44.204.227.149 user-images.githubusercontent.com 18.208.143.190 favicons.githubusercontent.com 3.227.11.2 avatars5.githubusercontent.com 44.192.25.139 avatars4.githubusercontent.com 54.197.35.64 avatars3.githubusercontent.com 44.211.83.233 avatars2.githubusercontent.com 3.238.132.1 avatars1.githubusercontent.com 3.238.199.124 avatars0.githubusercontent.com 44.210.19.120 avatars.githubusercontent.com 140.82.112.4 codeload.github.com 72.21.206.80 github-cloud.s3.amazonaws.com 72.21.206.80 github-com.s3.amazonaws.com 72.21.206.80 github-production-release-asset-2e65be.s3.amazonaws.com 72.21.206.80 github-production-user-asset-6210df.s3.amazonaws.com 72.21.206.80 github-production-repository-file-5c1aeb.s3.amazonaws.com 185.199.108.153 githubstatus.com 140.82.113.18 github.community 52.224.38.193 github.dev 140.82.112.4 collector.github.com 3.238.235.79 pipelines.actions.githubusercontent.com 18.207.249.155 media.githubusercontent.com 35.172.164.199 cloud.githubusercontent.com 54.198.215.57 objects.githubusercontent.com 13.107.219.40 vscode.dev
大部分情况下是直接生效，如未生效可尝试刷新 DNS，在 CMD 窗口输入“ipconfig /flushdns”命令。
6.1.2 安装工具链
到了这里，我们将开始在Ubuntu下工作。首先，我们需要安装Linux常用的工具链，例如gcc、cmake、python3、source、git等。为了安装这些工具链，我们首先需要打开Ubuntu-22.04子系统。然后，以命令的形式安装工具链，如下安装命令：
1，更新工具：sudo apt-get update 2，安装GCC：sudo apt-get install gcc 3，安装Cmake：sudo apt-get install cmake 4，安装python3.10：sudo apt-get install python3.10 5，安装python pip：sudo apt-get install python3-pip 6，安装子系统：sudo apt-get install source/ linux-source-5.7 7，安装virtualenv：sudo apt-get install virtualenv 8，安装git：sudo apt-get install git
一旦这些工具链成功安装，我们就可以开始搭建ESP-IDF环境并编译MicroPython固件。请注意，这些工具链的安装必须全部安装完成，否则在编译MicroPython时可能会出现问题。
6.1.3 ESP-IDF环境搭建
ESP-IDF（Espressif IoT Development Framework）是用于开发ESP系列芯片的官方开发环境，它支持Windows、Linux 和 macOS 操作系统，方便用户在不同系统下开发。在开发之前，我们先了解一下ESP-IDF和乐鑫芯片的版本关系，不同版本的IDF所支持的乐鑫芯片都不一样，下图总结了乐鑫芯片在 ESP-IDF 各版本中的支持状态，其中支持代表已支持，预览代表目前处于预览支持状态。预览支持状态通常有时间限制，而且仅适用于测试版芯片。请确保使用与芯片相匹配的 ESP-IDF 版本。
图6.1.3.1 不同版本的IDF支持乐鑫芯片关系表
从上图可以看到，ESP32-S3芯片只能在IDF v4.4版本及以上运行，因此我们在使用MicroPython搭建IDF开发环境时，需要选择IDF v4.4版本及以上。在这里，作者选择的是V5.0.4版本，因为MicroPython目前仅支持IDF v5.0.4和V5.1.2版本（ MicroPython IDF版本要求 ： MicroPython目前支持的IDF版本如下图所示）。然而，不排除以后可能会支持更高版本的可能性。
图6.1.3.2 MicroPython支持的IDF版本
到了这里，我们已经了解了MicroPython目前支持的IDF版本，下面作者来讲解Micropython ESP-IDF环境搭建的基本步骤：
1，克隆IDF库
首先打开ubuntu 22.04.2 LTS子系统，然后在命令行下输出“git clone -b v5.0.4 --recursive https://github.com/espressif/esp-idf.git（目前官方建议使用5.0.4 版本）”克隆Github仓库中的ESP-IDF源码库，如下图所示。
图6.1.3.3 克隆ESP32 IDF库
当读者成功克隆IDF库后，我们会在子系统（D:\Ubuntu_WSL\rootfs\root）根目录下找到一个名为“esp-idf”的文件夹。这个文件夹包含了ESP-IDF开发环境的相关文件和工具（相关文件的描述，请用户观看IDF版的教程）。
2，切换IDF 5.0.4版本
在root@DESKTOP-QH7611H:~/根目录下输入“cd esp-idf”进入esp-idf文件夹，然后在root@DESKTOP-QH7611H:~/esp-idf#目录下输入“git checkout v5.0.4”命令，切换IDF版本为v5.0.4。如下图所示。
图6.1.3.4 切换IDF版本
3，更新IDF版本子模块
在root@DESKTOP-QH7611H:~/esp-idf#目录下输入“git submodule update --init --recursive”更新子模块，如下图所示。
图6.1.3.5 更新子模块
一般来讲，在克隆IDF时会自动更新子模块，为了保险起见，最好重新更新子模块。
4，运行安装脚本和设置环境变量
root@DESKTOP-QH7611H:~/esp-idf#目录下输入两条命令“./install.sh”和“source export.sh”，它们分别是安装IDF环境和设置环境变量，设置成功之后系统提示“../export.sh”信息表示安装及设置环境变量成功如下图所示。
图6.1.3.6 IDF安装环境
上图提示“../export.sh”信息表示安装成功，此时我们在子系统目录下发现了.espressif隐藏文件夹，这是IDF环境搭建时生成的文件。
接着输入“source export.sh”设置环境变量，如下图所示。
图6.1.3.7 设置环境变量
上图提示“idf.py build”信息表示设置环境变量成功。请注意，每次进入Ubuntu 22.04.2 LTS子系统时，用户必须在root@DESKTOP-QH7611H:~/esp-idf#目录下输入“source export.sh”来操作环境变量，否则在生成固件时可能会报错。
为了解决上述的问题，作者在启动Ubuntu 22.04.2 LTS子系统时，在~/.bashrc直接执行export.sh文件，来设置ESP-IDF环境变量。
~/.bashrc 是一个在 Unix 和 Linux 系统中非常重要的 Shell 初始化文件。这个文件在 bash shell （Bourne Again SHell）启动时被读取（系统启动时），用户可以在这里定义别名、函数、环境变量、路径等，所有这些在以后启动的 bash shell 中都可用。
这个文件通常位于系统的 home 目录下（~/.bashrc），用户可以使用文本编辑器（如 vim、nano 或 emacs）来编辑它。在此文件最后一行命令下添加以下命令，如下所示：
source ./esp-idf/export.sh
这样我们在子系统启动时，就无需进去ESP-IDF源码库设置环境变量，启动时直接运行export.sh文件设置ESP-IDF的环境变量了。
到了这里，总共花费了作者一天的时间，因为Github是国外的服务器，国内的网路想要从Github下载资料，必须有更良好的网络才行，否则即使知道ESP-IDF搭建环境步骤，也未必能搭建成功。另外，作者还提供了第二种ESP-IDF环境搭建方法，请参考这个 博客的文章 ，他是从国内的gitee仓库克隆下来的，这样我们下载时就比较快速了。但在子模块更新时可能会遇到“gitee Username for 'https://gitee.com':”这样的提示信息，需要大家自行解决。
6.1.4 搭建MicroPython开发环境
在root@DESKTOP-QH7611H:~/目录下输入“git clone https://github.com/micropython/micropython.git”克隆MicroPython库，如下图所示。
图6.1.4.1 克隆MicroPython库
克隆成功之后，在此目录下输入“cd micropython”进入micropython库，然后输入“git submodule update --init --recursive”更新MicroPython子模块。
子模块更新成功之后，在root@DESKTOP-QH7611H:~/micropython#目录下输入“make -C mpy-cross”构建MicroPython交叉编译器，以便将一些内置脚本预编译为字节码，如下图所示。
图6.1.4.2 构建MicroPython交叉编译
构建MicroPython交叉编译器完成之后，就可以构建MicroPython ESP32固件了。首先在root@DESKTOP-QH7611H:~/micropython目录下输入“cd ports/esp32”进入MicroPython ESP32编译工程，在此目录下输入“make”构建ESP32 MicroPython固件，如下图所示。
图6.1.4.3 编译ESP32 MicroPython固件
根据上图所示，系统在esp32\build-ESP32_GENERIC文件夹下生成了三个bin文件，它们分别为bootloader.bin、partition-table.bin和micropython.bin。然后，我们使用flash_download_tool_3.9.5.exe工具将这三个bin文件烧录到ESP32芯片中，设置方法如下所示：
图6.1.4.4 烧录bin文件的地址设置
根据上图中的信息，我们可以得知烧录bin文件的地址是根据图5.1.4.4编译固件成功后的系统提示信息来进行的。根据提示信息，我们需要将生成的bin文件烧录到对应的地址中。另外，我们也可以使用esp32\build-ESP32_GENERIC文件夹下的firmware.bin文件，这个文件是bootloader.bin、partition-table.bin和micropython.bin三个文件的总bin文件：
图6.1.4.5 烧录总bin文件
注意：此固件虽然能满足ESP32在MicroPython下的运作，但它是有缺陷的。它并没有适配芯片的资源，如，是否挂载PSRAM、Flash/PSRAM的大小、时钟是否调节到240MHz等等。如果我们不去配置的话，系统可能选择默认的配置，如时钟只能达到160MHz、Flash大小为2MB等。这种默认的配置无法体现该芯片的价值，所以作者在后续的教程中，会详细讲解如何配置一个与手上芯片相匹配的固件。
6.1.5 MicroPython源文件结构分析
在上小节中，我们在子系统的Ubuntu下克隆了MicroPython源码包，并且在这个源码包下编译出了ESP32 MicroPython固件。下面，作者重点介绍这个源码包文件架构及文件功能说明。
MicroPython的基础源程序基本由C语言编写的，在编译过程中，使用了少量的Py脚本，用于在预编译过程中处理字符串。如下表中展示了MicroPython项目的源码文件结构。
表6.1.5.1 MicroPython项目的源文件结构
docs目录： 可生成MicroPython文档，可以在GitHub仓库中找到MicroPython/docs目录，并安装相关的工具来生成HTML，如下图所示。
图6.1.5.1 命令生成MicroPython文档
从上述可知，首先使用pip命令安装sphinx和sphinx_rtd_theme工具，然后在子系统上使用cd命令跳到micropython/docs目录下，最后在此目录下输入“make html”命令构建html文档。
py目录：在MicroPython的开发过程中，为了确保与Python标准库的一致性，我们不会修改py目录中的任何源代码。这是因为py目录存放着Python内核的全部源代码，是实现Python功能的重要基础。
lib目录和extmod目录：它们都包含了MicroPython扩展功能的组件，但它们的分工有所不同。lib目录中的内容是与MicroPython无关的，它们针对特定的微控制器平台，并可以独立地在这些平台上运行，以支持MicroPython功能的实现。它们位于MicroPython的下层，例如，包括各个微控制器平台的固件库、基本的文件系统协议栈和USB协议栈等。而extmod目录中实现的是扩展模块，这些模块都是基于MicroPython实现的，并在MicroPython内部实现扩展功能，例如，machine_spi模块就是在MicroPython的machine类中实现的SPI类模块。
对于微控制器开发者最有用也是最直接操作的目录是ports，里面存在了MicroPython支持的所有微控制器的移植代码，如下图所示。
图6.1.5.2 MicroPython已经支持的移植平台
在具体微控制器平台的目录下，存放了各自对MicroPython的底层移植源文件以及移植工程的Makefile文件。因此，在6.1.4小节编译固件时，作者只输入“make”命令即可完成ESP32 MicroPython固件的编译和构建。
6.2 编译ESP32-S3固件
上小节中，我们直接make就可以构建ESP32固件了，make 这是Make的基本命令，用于生成目标文件。执行make命令时，Make会自动查找当前目录下的Makefile文件（如果真的要细说make命令和Makefile，可能需要客户了解linux相关知识了）。
Makefile是用于自动编译和构建软件项目的工具。它使用简单的规则来告诉编译器如何构建软件。Makefile包含一组命令，这些命令用于编译、链接和构建源代码文件。
在ESP32-S3的固件编译过程中，可以在ports/esp32目录中找到一个Makefile文件。这个Makefile文件包含了编译ESP32-S3固件的规则和指令。通过编辑Makefile文件，可以设置要编译的型号，例如GENERIC_S3，然后保存文件后在终端使用make命令开始编译适用于对应板型的固件。
为了用户能够了解MicroPython固件编译，下面作者简单讲解一下ports/esp32目录Makefile文件到底有什么作用，该文件的部分内容如下所示：
ifdef BOARD_DIR
# （1）自定义板路径
BOARD ?= $(notdir $(BOARD_DIR:/=))
else
# （2）如果命令行中未给出，则默认为ESP32_GENERIC.
BOARD ?= ESP32_GENERIC
# （3）得到对应芯片的编译路径
BOARD_DIR ?= boards/$(BOARD)
endif
ifeq ($(wildcard $(BOARD_DIR)/.),)
ifeq ($(findstring boards/GENERIC,$(BOARD_DIR)),boards/GENERIC)
$(warning The GENERIC* boards have been renamed to ESP32_GENERIC*)
endif
$(error Invalid BOARD specified: $(BOARD_DIR))
endif
# （5）如果没有给出构建目录，使用默认文件名
ifneq ($(BOARD_VARIANT),)
BUILD ?= build-$(BOARD)-$(BOARD_VARIANT)
else
BUILD ?= build-$(BOARD)
endif
# （6）串口设备波特兰
PORT ?= /dev/ttyUSB0
BAUD ?= 460800
# Python3
PYTHON ?= python3
.PHONY: all clean deploy erase submodules FORCE
CMAKE_ARGS =
# （5）使用C模块，把自己的C驱动编译成MicroPython调用的API
ifdef USER_C_MODULES
CMAKE_ARGS += -DUSER_C_MODULES=${USER_C_MODULES}
endif
IDFPY_FLAGS += -D MICROPY_BOARD=$(BOARD) -D MICROPY_BOARD_DIR=$(abspath $(BOARD_DIR)) $(CMAKE_ARGS)
ifdef FROZEN_MANIFEST
IDFPY_FLAGS += -D MICROPY_FROZEN_MANIFEST=$(FROZEN_MANIFEST)
endif
# （6）设置PSRAM SPI模式、D2WD等
ifdef BOARD_VARIANT
IDFPY_FLAGS += -D MICROPY_BOARD_VARIANT=$(BOARD_VARIANT)
endif
HELP_BUILD_ERROR ?= "See \033[1;31mhttps://github.com/micropython/micropython/wiki/Build-Troubleshooting\033[0m"
define RUN_IDF_PY
idf.py $(IDFPY_FLAGS) -B $(BUILD) -p $(PORT) -b $(BAUD) $(1)
endef
all:
idf.py $(IDFPY_FLAGS) -B $(BUILD) build || (echo -e $(HELP_BUILD_ERROR); false)
@$(PYTHON) makeimg.py \
$(BUILD)/sdkconfig \
$(BUILD)/bootloader/bootloader.bin \
$(BUILD)/partition_table/partition-table.bin \
$(BUILD)/micropython.bin \
$(BUILD)/firmware.bin \
$(BUILD)/micropython.uf2
$(BUILD)/bootloader/bootloader.bin $(BUILD)/partition_table/partition-table.bin $(BUILD)/micropython.bin: FORCE
clean:
$(call RUN_IDF_PY,fullclean)
# 自动烧录
deploy:
$(call RUN_IDF_PY,flash)
# 擦除指令
erase:
$(call RUN_IDF_PY,erase-flash)
monitor:
$(call RUN_IDF_PY,monitor)
size:
$(call RUN_IDF_PY,size)
size-components:
$(call RUN_IDF_PY,size-components)
size-files:
$(call RUN_IDF_PY,size-files)
# 更新子模块
submodules:
@GIT_SUBMODULES=$$(idf.py $(IDFPY_FLAGS) -B $(BUILD)/submodules -D ECHO_SUBMODULES=1 build 2>&1 | \
grep '^GIT_SUBMODULES=' | cut -d= -f2); \
$(MAKE) -f ../../py/mkrules.mk GIT_SUBMODULES="$${GIT_SUBMODULES}" submodules
上述源码中的（1）表示要编译型号（如make BOARD=GENERIC_S3就是编译S3的MicroPython固件），如果在命令行中没有给出这个变量，则默认为ESP32_GENERIC（2），即编译ESP32这款芯片；（3）表示编译路径，也就是在这个路径下编译哪些文件，如果（1）中没有设置BOARD变量，则系统会编译boards/ESP32_GENERIC路径下的文件（如下图所示）；（4）表示构建文件夹名称，这个文件夹包含系统编译产生的文件都会保存在这个文件夹中；（5）表示是否使用C模块，也就是说，使用C驱动编译成MicroPython可调用的API，这个方法我们到第六章时候讲解；（6）表示编译条件，如挂在PSRAM的SPI模式为SPIRAM_OCT。
图6.2.1 boards/ESP32_GENERIC路径下的文件
上图中的mpconfigboard.cmake文件用于指定编译哪些sdkconfig文件。sdkconfig文件决定了系统应该编译和构建哪些功能（即加载项目的具体变量，通过具体变量让系统执行相应的代码），而mpconfigboard.h文件则用于定义全局宏定义，系统在运行时会根据这些宏定义的数值来执行相应的条件判断。
打开mpconfigboard.cmake文件，如下：
# 需执行的文件
set(SDKCONFIG_DEFAULTS
boards/sdkconfig.base
boards/sdkconfig.ble
)
# 判断是否开启D2WD
if(MICROPY_BOARD_VARIANT STREQUAL "D2WD")
set(SDKCONFIG_DEFAULTS
${SDKCONFIG_DEFAULTS}
boards/ESP32_GENERIC/sdkconfig.d2wd
)
list(APPEND MICROPY_DEF_BOARD
MICROPY_HW_MCU_NAME="ESP32-D2WD"
)
endif()
# 省略以下代码
从上述内容可知，编译ESP32 MicroPython固件时，需要执行boards/路径下的sdkconfig.base和sdkconfig.ble文件以及条件判断下的sdkconfig.x文件。根据这些项目的具体变量，系统将有意识地编译哪些代码。下面，作者将以sdkconfig.spiram_sx为例来讲解这个文件的作用。
打开ports/esp32/boards/sdkconfig.spiram_sx文件，如下：
# PSRAM模式 CONFIG_SPIRAM_MODE_QUAD=y ...... # PSRAM 读取速率 CONFIG_SPIRAM_SPEED_80M=y # 使能PSRAM CONFIG_SPIRAM=y ......
此文件用于配置ESP32芯片是否挂载PSRAM，以及设置SPI模式、速率等相关项目的具体变量。例如，正点原子ESP32-S3开发板的主控使用的是ESP32-S3-WROOM-1-N16R8模组，根据《esp32-s3-wroom-1_wroom-1u_datasheet_cn.pdf》模组数据手册第三页表1所示，该模组的PSRAM使用Octal SPI模式，因此在本章节编译ESP32-S3固件时，需要开启PSRAM，并将SPI模式设置为Octal SPI。
ESP32-S3-WROOM-1-N16R8模组内置16MB Flash（Octal SPI）和8MB PSRAM（Octal SPI），可运行最高时钟频率为240MHz。这些信息来自《esp32-s3_datasheet_cn.pdf》和《esp32-s3-wroom-1_wroom-1u_datasheet_cn.pdf》这两份数据手册。
根据上述的要求，作者划分几个步骤来讲解。
1，修改sdkconfig.board文件
打开ports/esp32/borads/ESP32_GENERIC_S3路径下打开sdkconfig.board文件，此文件的内容如下：
CONFIG_ESPTOOLPY_FLASHMODE_QIO=y CONFIG_ESPTOOLPY_FLASHFREQ_80M=y CONFIG_ESPTOOLPY_AFTER_NORESET=y # Flash大小 CONFIG_ESPTOOLPY_FLASHSIZE_4MB= CONFIG_ESPTOOLPY_FLASHSIZE_8MB=y CONFIG_ESPTOOLPY_FLASHSIZE_16MB= CONFIG_PARTITION_TABLE_CUSTOM=y # 分区表名称 CONFIG_PARTITION_TABLE_CUSTOM_FILENAME="partitions-8MiB.csv"
此文件默认设置Flash大小为8MB，显然不符合ESP32-S3-WROOM-1-N16R8模组内置16MB Flash大小，因此，把CONFIG_ESPTOOLPY_FLASHSIZE_16MB配置为y，并且修改分区表名称为“partitions-16MiB.csv”，修改后如下：
CONFIG_ESPTOOLPY_FLASHMODE_QIO=y CONFIG_ESPTOOLPY_FLASHFREQ_80M=y CONFIG_ESPTOOLPY_AFTER_NORESET=y # Flash大小为16MB CONFIG_ESPTOOLPY_FLASHSIZE_4MB= CONFIG_ESPTOOLPY_FLASHSIZE_8MB= CONFIG_ESPTOOLPY_FLASHSIZE_16MB=y CONFIG_PARTITION_TABLE_CUSTOM=y # 分区表名称 CONFIG_PARTITION_TABLE_CUSTOM_FILENAME="partitions-16MiB.csv"
2，修改partitions-16MiB.csv分区表
因为正点原子ESP32-S3 MicroPython固件使用了乐鑫AI库，因此这个AI库存储在Flash内需要大量的内存。因此，我们将分区表中的factory子分区（存储代码的区域）设置为6M。
修改前的分区表：
# Notes: the offset of the partition table itself is set in # $IDF_PATH/components/partition_table/Kconfig.projbuild. # Name, Type, SubType, Offset, Size, Flags nvs, data, nvs, 0x9000, 0x6000 , phy_init, data, phy, 0xf000, 0x1000 , factory, app, factory, 0x10000, 0x1F0000, # 1M内存 vfs, data, fat, 0x200000, 0xE00000, # 14M内存
修改后的分区表
# Notes: the offset of the partition table itself is set in # $IDF_PATH/components/partition_table/Kconfig.projbuild. # Name, Type, SubType, Offset, Size, Flags nvs, data, nvs, 0x9000, 0x6000 , phy_init, data, phy, 0xf000, 0x1000 , factory, app, factory, 0x10000, 0x600000, # 6M内存 vfs, data, fat, 0x700000, 0x900000, # 9M内存
到了这里，我们成功让MicroPython源代码适配了ESP32-S3-WROOM-1-N16R8模组。有小伙伴会问，为什么CONFIG_ESPTOOLPY_FLASHMODE_QIO还是为y呢？其实，在编译固件时，通过在make命令后面加上“BOARD_VARIANT= SPIRAM_OCT”命令就可以覆盖这个项目具体变量。大家可以打开ports/esp32/boards/ESP32_GENERIC_S3路径下的mpconfigboard.cmake文件，如下所示：
set(IDF_TARGET esp32s3)
set(SDKCONFIG_DEFAULTS
boards/sdkconfig.base
boards/sdkconfig.usb
boards/sdkconfig.ble
boards/sdkconfig.spiram_sx
boards/ESP32_GENERIC_S3/sdkconfig.board
)
if(MICROPY_BOARD_VARIANT STREQUAL "SPIRAM_OCT")
set(SDKCONFIG_DEFAULTS
${SDKCONFIG_DEFAULTS}
boards/sdkconfig.240mhz
boards/sdkconfig.spiram_oct
)
list(APPEND MICROPY_DEF_BOARD
MICROPY_HW_BOARD_NAME="Generic ESP32S3 module with Octal-SPIRAM"
)
endif()
根据上述文件内容，当MICROPY_BOARD_VARIANT变量等于SPIRAM_OCT时，将编译sdkconfig.240mhz和sdkconfig.spiram_oct文件。sdkconfig.240mhz文件用于将芯片的时钟频率配置为240MHz，而sdkconfig.spiram_oct文件则用于将外挂PSRAM的SPI模式配置为Otcal SPI。因此，在系统编译sdkconfig.spiram_oct时，将禁用CONFIG_SPIRAM_MODE_QUAD这个项目具体变量，并将CONFIG_SPIRAM_MODE_OCT这个项目具体变量设置为y。以下是sdkconfig.spiram_oct文件的内容：
# MicroPython on ESP32-S2 and ESP32-PAD1_subscript_3, ESP IDF configuration with SPIRAM support in Octal mode CONFIG_SPIRAM_MODE_QUAD= CONFIG_SPIRAM_MODE_OCT=y
至此，MicroPython源代码适配ESP32-S3-WROOM-1-N16R8模组完成，接下来，在ports/esp32/路径下输入“make BOARD=ESP32_GENERIC_S3 BOARD_VARIANT=SPIRAM_OCT”命令构建ESP32-S3-WROOM-1-N16R8模组MicroPython固件，如下图所示。
图6.2.2 ESP32-S3-WROOM-1-N16R8模组MiroPython固件
根据上图所示，系统会在build-ESP32_GENERIC_S3-SPIRAM_OCT文件夹下生成四个bin文件，它们分别是bootloader.bin、partition-table.bin、micropython.bin和firmware.bin（总bin）。接着，我们使用flash_download_tool.exe工具将这三个bin文件烧录到ESP32-S3-WROOM-1-N16R8模组中。设置flash_download_tool的方法请参考图5.1.4.5所示。需要注意的是，bootloader.bin、partition-table.bin和micropython.bin设置的下载地址分别为0x0000、0x8000和0x10000。如果烧录的是firmware.bin（总bin），则将烧录地址设置为0x0000。当然，我们也可以借助Thonny软件来烧录这个固件，如下图所示。
图6.2.3 烧录ESP32-S3 MicroPython固件
烧录完成后，关闭烧录界面，切换Thonny软件的解释器。在Thonny软件的Shell下提示固件信息，如下图所示。
图6.2.4 固件提示信息
在Shell交互环境下输入以下代码，查看固件资源信息，如下图所示。
图6.2.5 提示固件资源信息
从上图中可知，这个固件的系统时钟被设置为240MHz，内部Flash大小为16MB，PSRAM经过申请和释放操作，最后打印剩余空间为7.930084MB约等于8MB。
6.3 总结
不妨读者思考一下MicroPython的ESP32-S3固件为什么能驱动ESP32-S3芯片，并且实现相关的应用。
在编译MicroPython的ESP32-S3固件之前，需要先搭建ESP-IDF环境。这是因为ESP-IDF库为开发者提供了一套完善的API，使得开发者可以使用高级语言（如C/C++）来操作硬件，而不需要直接对硬件寄存器进行操作。这一设计大大降低了开发的难度，使得开发者可以更加专注于实现应用功能，而不必花费大量时间在底层的硬件操作上。
MicroPython的ESP32-S3固件编译也是基于这一思想进行的。它在ESP-IDF库的基础上进行了Python的封装，使得用户可以使用Python的语法来实现对ESP32-S3芯片的控制。这种封装方式不仅使得使用MicroPython进行开发变得更加简单和方便，同时也提高了MicroPython的可读性和易用性。
总的来说，MicroPython的ESP32-S3固件编译是基于ESP-IDF库进行的，它为开发者提供了一种更加高级、更加方便的方式来控制ESP32-S3芯片，使得开发者可以更加专注于实现应用功能。