如何實現ESP8266/ESP32自動下載電路

前一段時間需要自己制作一片ESP32單板，成本和封裝考慮，計劃選擇CH340E作為USB轉串口芯片，ESP8266/ESP32的單板一般都有自動下載電路，用戶無需按鈕即可令單板自動進入下載模式實現固件燒錄，然而自動下載電路需要串口芯片支持DTR和RTS，CH340E卻只有RTS信號，沒有DTR信號，于是研究學習了一下自動下載電路的原理，準備用一些奇淫技巧解決CH340E的自動下載問題。

遺憾的是，目前的中文互聯網上，關于ESP8266/ESP32自動下載原理，所有能搜索到的解釋大部分都是錯誤的，差之毫厘，謬以千里，如果隨意的假設，自以為是，最終得出的只能是一廂情愿的結論。

下載模式

ESP8266/ESP32進入下載模式[1]的條件很簡單：

EN（也稱為RST）上升沿時候GPIO0保持為低電平，如下圖所示：

分析1

下載電路如下所示，其結構與RS觸發器比較類似，注意EN和IO0信號均連接在三極管集電極，通過控制三極管只能拉低此信號，若三極管截止，則此信號的狀態由其他電路決定（一般來說，此類信號會默認接電阻上拉到VCC）

邏輯關系如下:

DTR?=?0;?RTS?=?0,?此時Q1截止，Q2截止，EN?=?1;?IO0?=?1
DTR?=?0;?RTS?=?1，此時Q1截止，Q2導通,?EN?=?1;?IO0?=?0
DTR?=?1;?RTS?=?0,?此時Q1導通，Q2截止,?EN?=?0;?IO0?=?1
DTR?=?1;?RTS?=?1,?此時Q1截止，Q2截止,?EN?=?1;?IO0?=?1

真值表:

DTR	RST	EN	IO0
0	0	1	1
0	1	1	0
1	0	0	1
1	1	1	1

簡單總結：當DTR和RTS同時為0或者同時為1時，三極管Q1和Q2均為截止狀態，此時EN和IO0的狀態由其他電路決定（內部/外部上拉電阻）。

當不同時為0或者1時：

EN??=?RTS
IO0?=?DTR

注意這種邏輯下 EN和IO0是不可能同時為0的，然而進入下載模式則需要如下的序列:

1.??IO?=?0;?EN?=?0
2.??IO?=?0;?EN?0?->?1

從邏輯表上看是根本無法正常進入下載模式的，此為疑惑1

分析2

再來繼續分析一下esptool.py[2]里下載相關的代碼

?#?issue?reset-to-bootloader:
????????#?RTS?=?either?CH_PD/EN?or?nRESET?(both?active?low?=?chip?in?reset
????????#?DTR?=?GPIO0?(active?low?=?boot?to?flasher)
????????#
????????#?DTR?&?RTS?are?active?low?signals,
????????#?ie?True?=?pin?@?0V,?False?=?pin?@?VCC.
????????if?mode?!=?'no_reset':
????????????self._setDTR(False)??#?IO0=HIGH
????????1)??self._setRTS(True)???#?EN=LOW,?chip?in?reset
????????????time.sleep(0.1)
????????2)??self._setDTR(True)???#?IO0=LOW
????????3)??self._setRTS(False)??#?EN=HIGH,?chip?out?of?reset
????????????time.sleep(0.05)
????????4)??self._setDTR(False)??#?IO0=HIGH,?done

注意True是低電平，False為高電平，另外代碼中的setDTR()和setRTS()兩條語句之間雖然看上去緊挨著沒有延時，然而由于這里是高級語言python，兩條語句之間的延時并不能忽略，因此分析的時候必須依次的進行狀態分析，以下分為四個階段依次分析:

設置DTR = 1; RTS = 0, 此時Q1導通，Q2截止, EN = 0; IO0 = 1

設置DTR = 0; RTS = 0, 此時Q1截止，Q2截止, EN = 1; IO0 = 1

設置DTR = 0; RTS = 1, 此時Q1截止，Q2導通, EN = 1; IO0 = 0

設置DTR = 1; RTS = 1, 此時Q1截止，Q2截止, EN = 1; IO0 = 1

如果按照上面的代碼分析來做結論，不論如何系統也是不可能進入下載模式的：EN和IO0首先不可能同時為0，EN由0->1的上升沿IO0也并不為0，再次確認之前的疑惑，那么系統究竟是如何進入下載模式的呢？

答案

問題的答案實際在另外一部分電路，原理其實非常簡單：EN信號連接在一個電容充放電電路上