ESP32-C3: выводы чипа и GPIO

Какие выводы свободны

Выводов у ESP32-C3 мало, и почти все чем-то заняты. Даташит делит их на свободные, с оговорками — конфликтующие с важными функциями — и занятые:

С оговорками — это выводы с особой ролью:

• GPIO2, GPIO8, GPIO9 — strapping-выводы: их уровень при сбросе выбирает режим загрузки.
• GPIO4–7 — JTAG (MTMS, MTDI, MTCK, MTDO); их можно освободить, отлаживая чип через USB Serial/JTAG.
• GPIO18 и GPIO19 — линии USB D− и D+, по умолчанию подключённые к контроллеру USB Serial/JTAG.
• GPIO20 и GPIO21 — UART0: через него загрузчик выводит сообщения и принимает прошивку.
• GPIO11 — вывод VDD_SPI, питание флеш-памяти. Как GPIO он работает, только если флеш-память внешняя и питается отдельно.

Поэтому на практике для своих схем берут и выводы с оговорками, понимая, что за этим стоит: strapping-выводы — с учётом уровня при сбросе, JTAG — если отлаживают через USB, UART0 — если консоль идёт через USB.

Таблица выводов

В таблице — все GPIO, номер вывода корпуса QFN32 и, если вывод называется не GPIOn, его имя в даташите. Каналы АЦП сверены с заголовками ESP-IDF.

Флеш-память

Программа ESP32-C3 хранится во флеш-памяти на шине SPI0/1: GPIO12–17 — выводы SPIHD, SPIWP, SPICS0, SPICLK, SPID и SPIQ. Варианты с флеш-памятью в корпусе — FH4, FH4AZ и FH4X на 4 МБ, FH8X на 8 МБ и снятый с производства FN4 — уже подключены к ней изнутри, и даташит запрещает занимать эти выводы чем-то ещё; у FH4AZ и FH4X они даже не выведены наружу. Чип без флеш-памяти в корпусе подключают к внешней памяти через те же выводы.

Память питается от вывода VDD_SPI, на который подаётся напряжение шины VDD3P3_CPU через внутреннее сопротивление около 7,5 Ом. Если внешняя флеш-память питается отдельно, VDD_SPI можно перенастроить в GPIO11.

Strapping-выводы

Три вывода при сбросе читаются как перемычки настройки, а после сброса работают как обычные GPIO. Уровни нужно удерживать не меньше 3 мс после появления высокого уровня на CHIP_EN:

GPIO2 режим загрузки не выбирает, но из-за всплесков его рекомендуют подтягивать вверх. GPIO8 ещё и управляет выводом сообщений загрузчика в UART0. Подробнее — на странице «Strapping-выводы ESP32».

Питание выводов и токи

GPIO0–5 питаются от шины VDD3P3_RTC, GPIO6–11 и GPIO18–21 — от VDD3P3_CPU, а выводы флеш-памяти GPIO12–17 — от VDD_SPI или VDD3P3_CPU, по настройке регистра. Рекомендованное напряжение всех шин — 3,0–3,6 В. Высокий уровень на входе — от 0,75 VDD, низкий — до 0,25 VDD, выше VDD + 0,3 В подавать нельзя. Внутренние подтяжки — около 45 кОм.

Сила выхода по умолчанию — 20 мА, у GPIO2–5 — 10 мА, у GPIO18 и GPIO19 — 40 мА. При наибольшей силе вывод отдаёт около 40 мА при напряжении не ниже 2,64 В и принимает около 28 мА при 0,495 В. Предельный суммарный выходной ток всех выводов — 1000 мА.

Всплески при включении

При подаче питания на GPIO6, GPIO7, GPIO10 и GPIO20 на 5 нс появляется низкий уровень, а на GPIO18 — высокий на 50 мкс. Импульс 5 нс почти ничего не включит, а 50 мкс на GPIO18 могут кратко открыть транзисторный ключ, поэтому управлять нагрузкой лучше с другого вывода.

АЦП

Входы АЦП — на GPIO0–5: ADC1_CH0–4 на GPIO0–4 и ADC2_CH0 на GPIO5. По даташиту после калибровки погрешность — ±10 мВ в диапазонах 0–750, 0–1050 и 0–1300 мВ и ±35 мВ в диапазоне 0–2500 мВ при наибольшем ослаблении; нелинейность в таблице характеристик измерена при выключенном Wi-Fi. Принципы выбора ослабления и делителя — в статье «АЦП ESP32».

Какие выводы доступны на модулях — на страницах ESP32-C3-MINI-1 и ESP32-C3-WROOM-02, как они разведены на готовой плате — на странице ESP32-C3-DevKitM-1, а у чипа ESP32-S3 с вдвое большим числом выводов — на странице «ESP32-S3: выводы чипа и GPIO».