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# ESP32 Emulation — Documentación Técnica
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> Estado: **Funcional** · Backend completo · Frontend parcial
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> Motor: **lcgamboa/qemu-8.1.3** · Plataforma: **arduino-esp32 2.0.17 (IDF 4.4.x)**
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## 1. Arquitectura general
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```
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Usuario (browser)
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└── WebSocket (/ws/{client_id})
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└── simulation.py (FastAPI router)
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├── EspLibManager ← backend con DLL (GPIO, WiFi, I2C, SPI, RMT…)
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└── EspQemuManager ← fallback solo-UART via subprocess
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│
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[QEMU_ESP32_LIB=libqemu-xtensa.dll]
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│
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Esp32LibBridge (ctypes)
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│
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libqemu-xtensa.dll ← lcgamboa fork de QEMU 8.1.3
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│
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Machine: esp32-picsimlab
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│
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┌──────────┴──────────┐
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CPU Xtensa LX6 periféricos emulados
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(dual-core) GPIO · ADC · UART · I2C · SPI
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RMT · LEDC · Timer · WiFi · Flash
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```
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El sistema selecciona backend automáticamente:
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- **DLL disponible** → `EspLibManager` (GPIO completo + todos los periféricos)
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- **DLL ausente** → `EspQemuManager` (solo UART serial via TCP, subprocess QEMU)
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Activación de DLL: colocar `libqemu-xtensa.dll` en `backend/app/services/` o setear:
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```bash
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QEMU_ESP32_LIB=C:/ruta/a/libqemu-xtensa.dll uvicorn app.main:app
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```
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## 2. Componentes del sistema
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### 2.1 `libqemu-xtensa.dll`
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Compilada desde el fork [lcgamboa/qemu](https://github.com/lcgamboa/qemu) rama `qemu-8.1.3`.
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**Dependencias en runtime (Windows):**
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```
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C:\msys64\mingw64\bin\
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libglib-2.0-0.dll
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libgcrypt-20.dll
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libgpg-error-0.dll
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libslirp-0.dll
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libintl-8.dll
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libpcre2-8-0.dll
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(y ~15 DLLs más de MinGW64)
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```
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El bridge las registra automáticamente con `os.add_dll_directory()`.
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**ROM binaries requeridas** (deben estar en la misma carpeta que la DLL):
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```
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backend/app/services/
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libqemu-xtensa.dll ← motor principal
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esp32-v3-rom.bin ← ROM de boot del ESP32 (copiar de esp-qemu)
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esp32-v3-rom-app.bin ← ROM de aplicación
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```
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**Cómo obtener los ROM binaries:**
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```bash
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# Desde instalación de Espressif QEMU:
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copy "C:\esp-qemu\qemu\share\qemu\esp32-v3-rom.bin" backend\app\services\
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copy "C:\esp-qemu\qemu\share\qemu\esp32-v3-rom-app.bin" backend\app\services\
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```
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**Exports de la DLL:**
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```c
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void qemu_init(int argc, char** argv, char** envp)
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void qemu_main_loop(void)
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void qemu_cleanup(void)
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void qemu_picsimlab_register_callbacks(callbacks_t* cbs)
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void qemu_picsimlab_set_pin(int slot, int value) // GPIO input
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void qemu_picsimlab_set_apin(int channel, int value) // ADC input (0-4095)
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void qemu_picsimlab_uart_receive(int id, uint8_t* buf, int size)
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void* qemu_picsimlab_get_internals(int type) // LEDC duty array
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int qemu_picsimlab_get_TIOCM(void) // UART modem lines
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```
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**Struct de callbacks C:**
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```c
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typedef struct {
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void (*picsimlab_write_pin)(int pin, int value); // GPIO output changed
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void (*picsimlab_dir_pin)(int pin, int value); // GPIO direction changed
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int (*picsimlab_i2c_event)(uint8_t id, uint8_t addr, uint16_t event);
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uint8_t (*picsimlab_spi_event)(uint8_t id, uint16_t event);
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void (*picsimlab_uart_tx_event)(uint8_t id, uint8_t value);
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const short int *pinmap; // slot → GPIO number mapping
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void (*picsimlab_rmt_event)(uint8_t ch, uint32_t config0, uint32_t value);
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} callbacks_t;
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```
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---
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### 2.2 GPIO Pinmap
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```python
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# Identity mapping: QEMU IRQ slot i → GPIO number i-1
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_PINMAP = (ctypes.c_int16 * 41)(
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40, # pinmap[0] = count
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*range(40) # pinmap[1..40] = GPIO 0..39
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)
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```
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Cuando GPIO N cambia, QEMU llama `picsimlab_write_pin(slot=N+1, value)`.
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El bridge traduce automáticamente slot → GPIO real antes de notificar listeners.
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**GPIOs input-only en ESP32-WROOM-32:** `{34, 35, 36, 39}` — no pueden ser output.
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### 2.3 `Esp32LibBridge` (Python ctypes)
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Archivo: `backend/app/services/esp32_lib_bridge.py`
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```python
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bridge = Esp32LibBridge(lib_path, asyncio_loop)
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|
# Registrar listeners (async, llamados desde asyncio)
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bridge.register_gpio_listener(fn) # fn(gpio_num: int, value: int)
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bridge.register_dir_listener(fn) # fn(gpio_num: int, direction: int)
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bridge.register_uart_listener(fn) # fn(uart_id: int, byte_val: int)
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bridge.register_rmt_listener(fn) # fn(channel: int, config0: int, value: int)
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|
# Registrar handlers I2C/SPI (sync, llamados desde thread QEMU)
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bridge.register_i2c_handler(fn) # fn(bus, addr, event) -> int
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bridge.register_spi_handler(fn) # fn(bus, event) -> int
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# Control
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bridge.start(firmware_b64, machine='esp32-picsimlab')
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bridge.stop()
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bridge.is_alive # bool
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# GPIO / ADC / UART
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bridge.set_pin(gpio_num, value) # Drive GPIO input (usa GPIO real 0-39)
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bridge.set_adc(channel, millivolts) # ADC en mV (0-3300)
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bridge.set_adc_raw(channel, raw) # ADC en raw 12-bit (0-4095)
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bridge.uart_send(uart_id, data) # Enviar bytes al UART RX del ESP32
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# LEDC/PWM
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bridge.get_ledc_duty(channel) # canal 0-15 → raw duty | None
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bridge.get_tiocm() # UART modem lines bitmask
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# Helper
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bridge.decode_rmt_item(value) # → (level0, dur0, level1, dur1)
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```
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|
**Threading crítico:**
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`qemu_init()` y `qemu_main_loop()` **deben correr en el mismo thread** (BQL — Big QEMU Lock es thread-local). El bridge los ejecuta en un único daemon thread y usa `threading.Event` para sincronizar el inicio:
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|
```python
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# Correcto:
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|
def _qemu_thread():
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lib.qemu_init(argc, argv, None) # init + init_done.set()
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|
lib.qemu_main_loop() # bloquea indefinidamente
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# Incorrecto:
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|
lib.qemu_init(...) # en thread A
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lib.qemu_main_loop() # en thread B ← crash: "qemu_mutex_unlock_iothread assertion failed"
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```
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### 2.4 `EspLibManager` (Python)
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Archivo: `backend/app/services/esp32_lib_manager.py`
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Convierte callbacks de hardware en **eventos WebSocket** para el frontend:
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| Evento emitido | Datos | Cuándo |
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|----------------|-------|--------|
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| `system` | `{event: 'booting'\|'booted'\|'crash'\|'reboot', ...}` | Ciclo de vida |
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| `serial_output` | `{data: str, uart: 0\|1\|2}` | UART TX del ESP32 |
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|
| `gpio_change` | `{pin: int, state: 0\|1}` | GPIO output cambia |
|
|
| `gpio_dir` | `{pin: int, dir: 0\|1}` | GPIO cambia dirección |
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|
| `i2c_event` | `{bus, addr, event, response}` | Transacción I2C |
|
|
| `spi_event` | `{bus, event, response}` | Transacción SPI |
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|
| `rmt_event` | `{channel, config0, value, level0, dur0, level1, dur1}` | Pulso RMT |
|
|
| `ws2812_update` | `{channel, pixels: [{r,g,b}]}` | Frame NeoPixel completo |
|
|
| `ledc_update` | `{channel, duty, duty_pct}` | PWM duty cycle |
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|
| `error` | `{message: str}` | Error de boot |
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|
**Detección de crash y reboot:**
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```python
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|
# El firmware imprime en UART cuando crashea:
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|
"Cache disabled but cached memory region accessed" → event: crash
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|
"Rebooting..." → event: reboot
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```
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|
**API pública del manager:**
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|
```python
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|
manager = esp_lib_manager # singleton
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manager.start_instance(client_id, board_type, callback, firmware_b64)
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|
manager.stop_instance(client_id)
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|
manager.load_firmware(client_id, firmware_b64) # hot-reload
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|
manager.set_pin_state(client_id, gpio_num, value) # GPIO input
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manager.set_adc(client_id, channel, millivolts)
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|
manager.set_adc_raw(client_id, channel, raw)
|
|
await manager.send_serial_bytes(client_id, data, uart_id=0)
|
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|
manager.set_i2c_response(client_id, addr, byte) # Simular dispositivo I2C
|
|
manager.set_spi_response(client_id, byte) # Simular dispositivo SPI
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|
await manager.poll_ledc(client_id) # Leer PWM (llamar periódicamente)
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|
manager.get_status(client_id) # → dict con runtime state
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```
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### 2.5 `simulation.py` — Mensajes WebSocket
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**Frontend → Backend (mensajes entrantes):**
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| Tipo | Datos | Acción |
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|------|-------|--------|
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| `start_esp32` | `{board, firmware_b64?}` | Iniciar emulación |
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| `stop_esp32` | `{}` | Detener |
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| `load_firmware` | `{firmware_b64}` | Hot-reload firmware |
|
|
| `esp32_gpio_in` | `{pin, state}` | Drive GPIO input (GPIO real 0-39) |
|
|
| `esp32_serial_input` | `{bytes: [int], uart: 0}` | Enviar serial al ESP32 |
|
|
| `esp32_uart1_input` | `{bytes: [int]}` | UART1 RX |
|
|
| `esp32_uart2_input` | `{bytes: [int]}` | UART2 RX |
|
|
| `esp32_adc_set` | `{channel, millivolts?}` o `{channel, raw?}` | Setear ADC |
|
|
| `esp32_i2c_response` | `{addr, response}` | Configurar respuesta I2C |
|
|
| `esp32_spi_response` | `{response}` | Configurar MISO SPI |
|
|
| `esp32_status` | `{}` | Query estado runtime |
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## 3. Firmware — Requisitos para lcgamboa
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### 3.1 Versión de plataforma requerida
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**✅ Usar: arduino-esp32 2.x (IDF 4.4.x)**
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**❌ No usar: arduino-esp32 3.x (IDF 5.x)**
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|
```bash
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|
# Instalar/cambiar a 2.x:
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|
arduino-cli core install esp32:esp32@2.0.17
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|
```
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|
**Por qué:** El WiFi emulado de lcgamboa (core 1) desactiva la caché SPI flash periódicamente. En IDF 5.x esto provoca un crash cuando las interrupciones del core 0 intentan ejecutar código desde IROM (flash cache). En IDF 4.4.x el comportamiento de la caché es diferente y compatible.
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|
|
**Mensaje de crash (IDF 5.x):**
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|
```
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|
Guru Meditation Error: Core / panic'ed (Cache error).
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|
Cache disabled but cached memory region accessed
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|
EXCCAUSE: 0x00000007
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|
```
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|
### 3.2 Imagen de flash
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|
La imagen debe ser un archivo binario completo de **4 MB** (formato merged flash):
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```bash
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|
# Compilar con DIO flash mode:
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|
arduino-cli compile --fqbn esp32:esp32:esp32:FlashMode=dio \
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|
--output-dir build/ sketch/
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|
|
# Crear imagen 4MB completa (¡obligatorio! QEMU requiere 2/4/8/16 MB exactos):
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|
esptool --chip esp32 merge_bin \
|
|
--fill-flash-size 4MB \ # ← sin esto QEMU falla con "only 2,4,8,16 MB supported"
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|
-o firmware.merged.bin \
|
|
--flash_mode dio --flash_size 4MB \
|
|
0x1000 bootloader.bin \
|
|
0x8000 partitions.bin \
|
|
0x10000 app.bin
|
|
```
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|
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|
El backend (`arduino_cli.py`) fuerza `FlashMode=dio` automáticamente para todos los targets `esp32:*`.
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|
### 3.3 Sketch compatible con lcgamboa (ejemplo mínimo)
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|
Para sketches que necesiten máxima compatibilidad (sin Arduino framework):
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|
```cpp
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|
// GPIO directo vía registros (evita código en flash en ISRs)
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|
#define GPIO_OUT_W1TS (*((volatile uint32_t*)0x3FF44008))
|
|
#define GPIO_OUT_W1TC (*((volatile uint32_t*)0x3FF4400C))
|
|
#define GPIO_ENABLE_W1TS (*((volatile uint32_t*)0x3FF44020))
|
|
#define LED_BIT (1u << 2) // GPIO2
|
|
|
|
// Funciones ROM (siempre en IRAM, nunca crashean)
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|
extern "C" {
|
|
void ets_delay_us(uint32_t us);
|
|
int esp_rom_printf(const char* fmt, ...);
|
|
}
|
|
|
|
// Strings en DRAM (no en flash)
|
|
static const char DRAM_ATTR s_on[] = "LED_ON\n";
|
|
static const char DRAM_ATTR s_off[] = "LED_OFF\n";
|
|
|
|
void IRAM_ATTR setup() {
|
|
GPIO_ENABLE_W1TS = LED_BIT;
|
|
for (int i = 0; i < 5; i++) {
|
|
GPIO_OUT_W1TS = LED_BIT;
|
|
esp_rom_printf(s_on);
|
|
ets_delay_us(300000); // 300 ms
|
|
GPIO_OUT_W1TC = LED_BIT;
|
|
esp_rom_printf(s_off);
|
|
ets_delay_us(300000);
|
|
}
|
|
}
|
|
|
|
void IRAM_ATTR loop() { ets_delay_us(1000000); }
|
|
```
|
|
|
|
**Sketches Arduino normales** (con `Serial.print`, `delay`, `digitalWrite`) también funcionan correctamente con IDF 4.4.x.
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|
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|
---
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## 4. WiFi emulada
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|
lcgamboa implementa una WiFi simulada con SSIDs hardcoded:
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|
|
|
```cpp
|
|
// Solo estas redes están disponibles en la emulación:
|
|
WiFi.begin("PICSimLabWifi", ""); // sin contraseña
|
|
WiFi.begin("Espressif", "");
|
|
```
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|
|
|
El ESP32 emulado puede:
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|
- Escanear redes (`WiFi.scanNetworks()`) → devuelve las dos SSIDs
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|
- Conectar y obtener IP (`192.168.4.x`)
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|
- Abrir sockets TCP/UDP (via SLIRP — NAT hacia el host)
|
|
- Usar `HTTPClient`, `WebServer`, etc.
|
|
|
|
**Limitaciones:**
|
|
- No hay forma de configurar las SSIDs o contraseñas desde Python
|
|
- La IP del "router" virtual es `10.0.2.2` (host Windows)
|
|
- El ESP32 emulado es accesible en `localhost:PORT` via port forwarding SLIRP
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|
|
|
---
|
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|
|
## 5. I2C emulado
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|
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|
El callback I2C es **síncrono** — QEMU espera la respuesta antes de continuar:
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|
|
|
```python
|
|
# Protocolo de eventos I2C (campo `event`):
|
|
0x0100 # START + dirección (READ si bit0 de addr=1)
|
|
0x0200 # WRITE byte (byte en bits 7:0 del event)
|
|
0x0300 # READ request (el callback debe retornar el byte a poner en SDA)
|
|
0x0000 # STOP / idle
|
|
```
|
|
|
|
**Simular un sensor I2C** (ej. temperatura):
|
|
```python
|
|
# Configurar qué byte devuelve el ESP32 cuando lee la dirección 0x48:
|
|
esp_lib_manager.set_i2c_response(client_id, addr=0x48, response_byte=75)
|
|
# → analogRead equivalente: el firmware leerá 75 de ese registro
|
|
```
|
|
|
|
Desde WebSocket:
|
|
```json
|
|
{"type": "esp32_i2c_response", "data": {"addr": 72, "response": 75}}
|
|
```
|
|
|
|
---
|
|
|
|
## 6. RMT / NeoPixel (WS2812)
|
|
|
|
El evento RMT lleva un item de 32 bits codificado así:
|
|
```
|
|
bit31: level0 | bits[30:16]: duration0 | bit15: level1 | bits[14:0]: duration1
|
|
```
|
|
|
|
El `_RmtDecoder` acumula bits y decodifica frames WS2812 (24 bits por LED en orden GRB):
|
|
|
|
```python
|
|
# Threshold de bit: pulso alto > 48 ticks (a 80 MHz APB = ~600 ns) → bit 1
|
|
_WS2812_HIGH_THRESHOLD = 48
|
|
|
|
# Bit 1: high ~64 ticks (800 ns), low ~36 ticks (450 ns)
|
|
# Bit 0: high ~32 ticks (400 ns), low ~68 ticks (850 ns)
|
|
```
|
|
|
|
El evento emitido al frontend:
|
|
```json
|
|
{
|
|
"type": "ws2812_update",
|
|
"data": {
|
|
"channel": 0,
|
|
"pixels": [
|
|
{"r": 255, "g": 0, "b": 0},
|
|
{"r": 0, "g": 255, "b": 0}
|
|
]
|
|
}
|
|
}
|
|
```
|
|
|
|
---
|
|
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|
## 7. LEDC / PWM
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|
|
`qemu_picsimlab_get_internals(0)` retorna un puntero a un array de 16 `uint32_t` con el duty cycle de cada canal LEDC. Llamar periódicamente (cada ~50 ms):
|
|
|
|
```python
|
|
await esp_lib_manager.poll_ledc(client_id)
|
|
# Emite: {"type": "ledc_update", "data": {"channel": 0, "duty": 4096, "duty_pct": 50.0}}
|
|
```
|
|
|
|
El duty máximo típico es 8192 (timer de 13 bits). Para brillo de LED: `duty_pct / 100`.
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|
|
|
---
|
|
|
|
## 8. Compilación de la DLL
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|
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|
### 8.1 Requisitos
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|
|
- **MSYS2** instalado en `C:\msys64`
|
|
- Paquetes MINGW64: `gcc glib2 libgcrypt libslirp pixman ninja meson python git`
|
|
|
|
```bash
|
|
pacman -S mingw-w64-x86_64-{gcc,glib2,libgcrypt,libslirp,pixman,ninja,meson,python,git}
|
|
```
|
|
|
|
### 8.2 Proceso de build
|
|
|
|
```bash
|
|
# 1. Configurar (en MSYS2 MINGW64):
|
|
cd wokwi-libs/qemu-lcgamboa
|
|
./configure \
|
|
--target-list=xtensa-softmmu \
|
|
--disable-werror --enable-tcg \
|
|
--enable-gcrypt --enable-slirp \
|
|
--enable-iconv --without-default-features
|
|
|
|
# 2. Compilar el binario principal:
|
|
ninja -j$(nproc) qemu-system-xtensa.exe
|
|
|
|
# 3. Relinkar como DLL (script automatizado):
|
|
bash build_qemu_step4.sh
|
|
# → genera libqemu-xtensa.dll en build/
|
|
# → la copia a backend/app/services/
|
|
```
|
|
|
|
### 8.3 Detalle del relink como DLL
|
|
|
|
El proceso extrae el comando de link de `build.ninja`, elimina `softmmu_main.c.obj` (que contiene `main()`), y agrega flags de DLL:
|
|
|
|
```bash
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cc -m64 -mcx16 -shared \
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-Wl,--export-all-symbols \
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-Wl,--allow-multiple-definition \
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-o libqemu-xtensa.dll \
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@dll_link.rsp # todos los .obj excepto softmmu_main
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```
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### 8.4 Verificar exports
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```bash
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objdump -p libqemu-xtensa.dll | grep -i "qemu_picsimlab\|qemu_init\|qemu_main"
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# Debe mostrar:
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# qemu_init
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# qemu_main_loop
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# qemu_cleanup
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# qemu_picsimlab_register_callbacks
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# qemu_picsimlab_set_pin
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# qemu_picsimlab_set_apin
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# qemu_picsimlab_uart_receive
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# qemu_picsimlab_get_internals
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# qemu_picsimlab_get_TIOCM
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```
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### 8.5 Parche requerido en scripts/symlink-install-tree.py
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Windows no permite crear symlinks sin privilegios de administrador. El script de QEMU falla con `WinError 1314`. Parche aplicado:
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```python
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# En scripts/symlink-install-tree.py, dentro del loop de symlinks:
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if os.name == 'nt':
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if not os.path.exists(source):
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continue
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import shutil
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try:
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shutil.copy2(source, bundle_dest)
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except Exception as copy_err:
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print(f'error copying {source}: {copy_err}', file=sys.stderr)
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continue
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```
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## 9. Tests
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Archivo: `test/esp32/test_esp32_lib_bridge.py`
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```bash
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# Ejecutar todos los tests:
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backend/venv/Scripts/python.exe -m pytest test/esp32/test_esp32_lib_bridge.py -v
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# Resultado esperado: 28 passed en ~13 segundos
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```
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**Grupos de tests:**
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| Grupo | Tests | Qué verifica |
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|-------|-------|--------------|
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| `TestDllExists` | 5 | Rutas de DLL, ROM binaries, MinGW64 |
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| `TestDllLoads` | 3 | Carga de DLL, symbols exportados |
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| `TestPinmap` | 3 | Estructura del pinmap, GPIO2 en slot 3 |
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| `TestManagerAvailability` | 2 | `is_available()`, API surface |
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| `TestEsp32LibIntegration` | 15 | QEMU real con firmware blink: boot, UART, GPIO, ADC, SPI, I2C |
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**Firmware de test:** `test/esp32-emulator/binaries_lcgamboa/blink_lcgamboa.ino.merged.bin`
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Compilado con arduino-esp32 2.0.17, DIO flash mode, imagen 4MB completa.
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## 10. Limitaciones conocidas (no solucionables sin modificar QEMU)
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| Limitación | Causa | Workaround |
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|------------|-------|------------|
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| **Una sola instancia ESP32 por proceso** | QEMU usa estado global en variables estáticas | Lanzar múltiples procesos Python |
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| **WiFi solo con SSIDs hardcoded** | lcgamboa codifica "PICSimLabWifi" y "Espressif" en C | Modificar y recompilar la DLL |
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| **Sin BLE / Bluetooth Classic** | No implementado en lcgamboa | No disponible |
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| **Sin touch capacitivo** | `touchRead()` no tiene callback en picsimlab | No disponible |
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| **Sin DAC** | GPIO25/GPIO26 analógico no expuesto por picsimlab | No disponible |
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| **Flash fija en 4MB** | Hardcoded en la machine esp32-picsimlab | Recompilar DLL |
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| **arduino-esp32 3.x causa crash** | IDF 5.x maneja caché diferente al WiFi emulado | Usar 2.x (IDF 4.4.x) |
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## 11. Pendiente en el frontend
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Los eventos son emitidos por el backend pero el frontend aún no los consume:
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| Evento | Componente frontend a crear |
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|--------|-----------------------------|
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| `ws2812_update` | `NeoPixel.tsx` — strip de LEDs RGB |
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| `ledc_update` | Modificar `LED.tsx` para brillo variable |
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| `gpio_change` | Conectar al `PinManager` del ESP32 (análogo al AVR) |
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| `gpio_dir` | Mostrar dirección de pin en el inspector |
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| `i2c_event` | Sensores I2C simulados (SSD1306, BME280, etc.) |
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| `spi_event` | Displays SPI (ILI9341 ya implementado para AVR) |
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| `system: crash` | Notificación en la UI + botón de restart |
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| `system: reboot` | Indicador de reinicio en el canvas |
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## 12. Variables de entorno
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| Variable | Valor | Efecto |
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|----------|-------|--------|
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| `QEMU_ESP32_LIB` | ruta a `libqemu-xtensa.dll` | Fuerza ruta de DLL (override auto-detect) |
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| `QEMU_ESP32_BINARY` | ruta a `qemu-system-xtensa.exe` | Fallback subprocess (sin DLL) |
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Si `QEMU_ESP32_LIB` no está seteado, el sistema busca `libqemu-xtensa.dll` en la misma carpeta que `esp32_lib_bridge.py`.
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