ESP嵌入式系統

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先前經驗

我在開發 ESP32 和 ESP8266 版之前對嵌入式系統一無所知，我先前少數有用到 C、C++、組合語言的場合是競賽程式設計與作業系統製作，我所寫的程式碼都在強大的電腦上跑，所以我都不需要為記憶體管理、功率控制與實時限制感到擔憂，這就是為甚麼我第一次開發 ESP8266 時被現實當頭棒喝。

ESP32 輕鬆做

ESP32 版非常好做，它搭載兩物理核心處理器、520KB 的動態記憶體和 4MB 的快閃。我在 ESP32 做的專案 ESP Rock大獲成功，我在一塊小小的版上實作伺服器、AHRS 六元自由度定位與網頁介面，ESP32 輕而易舉就負擔的起，和之前我開發 C++時差不多。

ESP8266 災難連環發

ESP8266 就是完全相反的，它只有單核心處理器、80KB 的動態記憶體與 4MB 的快閃。我在開發IOT Connect時遇到許多問題，尤其是記憶體不足的問題，超難除錯，最後發現罪惡禍首是非同步伺服器，有記憶體外洩，因此只能改成同步伺服器<ESP8266WebServer.h>。然後我又發現 ESP8266 在讀類比訊號時如果沒有緩衝會發狂，所以又要用非阻擋等待讓它喘口氣。

// 非阻擋等待的例子
void func() {
  static unsigned long lastMillis = 0;
  if (millis() - lastMillis > 1000) {
    lastMillis = millis();
    // 做事...
  }
}

新發現

首先，PROG_MEM是一個巨集，定義某些變數被寫入快閃記憶體中，可以儲存巨大檔案和其他靜態檔案，另一件事是 ESP8266 討厭動態記憶體配置，所以我要將程式碼改寫成大部分使用呼叫堆疊的記憶體。幸好之前就強迫自己使用 C-Style 陣列，所以不是太大的麻煩，不過由於沒有除錯器，一開始真的不知道從何修起。

除錯小抄

OOM 記憶體不足錯誤：可以用ESP.getFreeHeap()來檢查剩餘的記憶體堆，如果一直減低的話，可能有記憶體外洩。要怎麼除錯呢……，我也不知道。
執行時對齊錯誤：編譯期間的對齊錯誤很好修，不過執行時的便非常難除錯，通常要看是否有奇怪的指標運算或轉型。
記得.end()/.close()/.stop()：大部分記憶體外洩與對齊錯誤的元凶，我通常會做一個垃圾堆疊，使用 $\lambda$ 函數清乾淨。


//...
#include <stack>
#include <LittleFS.h>

std::stack<std::function<void()>> garbage;

void setupLittleFS() {
  LittleFS.begin();
  garbage.push([]() {
    LittleFS.end();
  });
}

void cleanup()
{
  while (!garbage.empty()) {
    garbage.top()();
    garbage.pop();
  }
}

對靜態資料用PROGMEM：用膝蓋想都知道。
在 ISR 函數中用volatile：容易降低效率，或者造成未定義問題。

感想

雖然用 ESP8266 很累，但是超有成就感。能讓一顆小小的晶片做這麼多事真的讓人感到喜悅，這次的開發經驗也教導了我從底層思考，有人說過人不可貌相，那晶片也就不可貌規格了。

參考函數庫

ESP Rock: 我的 M5StickC ESP32 專案。
IOT Connect: 我的 ESP8266 專案。
ESPAsyncWebServer: 曾經使用的非同步伺服器。
ESP8266WebServer: 後來採用的同步伺服器。

algasami