Регистры GPIO ESP32-C3

Регистры GPIO ESP32-C3: уровни на выходах и входах 22 выводов, установка и сброс битов без чтения-изменения-записи, настройка прерываний и матрица, которая подключает любой сигнал периферии к любому выводу.

Блок GPIO по адресу 0x6000 4000 управляет выводами GPIO0…GPIO21 в цифровом режиме. Бит n регистров GPIO_OUT_REG, GPIO_ENABLE_REG и GPIO_IN_REG относится к выводу GPIOn: первый задаёт уровень на выходе, второй включает выходной драйвер, третий показывает уровень на входе. Пары регистров W1TS и W1TC меняют только те биты, в которые записана единица, — запись атомарна и не требует чтения регистра.

Матрица GPIO соединяет 128 входных сигналов периферии и выходные сигналы с выводами: регистр GPIO_FUNCn_IN_SEL_CFG_REG выбирает вывод для входного сигнала с номером n, а GPIO_FUNCn_OUT_SEL_CFG_REG — сигнал, который выводится на GPIOn. Значение 128 в поле FUNCn_OUT_SEL отдаёт вывод под управление GPIO_OUT_REG. Номера сигналов перечислены в заголовке soc/gpio_sig_map.h ESP-IDF и в таблице 5.11-1 TRM.

Функции выводов, подтяжки и сила выхода задаются не здесь, а в регистрах IO MUX; простой вывод через GPIO требует выбрать в IO MUX функцию 1 (GPIO).

Экземпляр	Базовый адрес
GPIO	0x6000 4000

Пример на C

GPIO8 — выход, GPIO9 — вход (ESP-IDF, soc/gpio_reg.h). Макросы доступа REG_WRITE, REG_READ, REG_SET_BIT, REG_CLR_BIT, REG_GET_BIT, REG_SET_FIELD и REG_GET_FIELD объявлены в soc/soc.h ESP-IDF; поле задаётся именем макроса без суффикса, маска и сдвиг берутся из его вариантов _V и _S.

#include "soc/gpio_reg.h"
#include "soc/io_mux_reg.h"
#include "soc/gpio_sig_map.h"

PIN_FUNC_SELECT(IO_MUX_GPIO8_REG, PIN_FUNC_GPIO);         // функция 1 — GPIO
REG_WRITE(GPIO_FUNC8_OUT_SEL_CFG_REG, SIG_GPIO_OUT_IDX);  // 128: выход берётся из GPIO_OUT_REG
REG_WRITE(GPIO_ENABLE_W1TS_REG, BIT(8));                  // включить выходной драйвер GPIO8
REG_WRITE(GPIO_OUT_W1TS_REG, BIT(8));                     // GPIO8 = 1
REG_WRITE(GPIO_OUT_W1TC_REG, BIT(8));                     // GPIO8 = 0

uint32_t level = (REG_READ(GPIO_IN_REG) >> 9) & 1;        // уровень на GPIO9

Регистры блока

Регистр (ESP-IDF)	Смещение	Назначение	После сброса
GPIO_BT_SELECT_REG	0x0000	Выбор битов для Bluetooth	0x0000 0000
GPIO_OUT_REG	0x0004	Уровни на выходах GPIO0…21	0x0000 0000
GPIO_OUT_W1TS_REG	0x0008	Установка выходов в 1 записью единицы	0x0000 0000
GPIO_OUT_W1TC_REG	0x000C	Сброс выходов в 0 записью единицы	0x0000 0000
GPIO_ENABLE_REG	0x0020	Разрешение выходов GPIO0…21	0x0000 0000
GPIO_ENABLE_W1TS_REG	0x0024	Включение выходов записью единицы	0x0000 0000
GPIO_ENABLE_W1TC_REG	0x0028	Выключение выходов записью единицы	0x0000 0000
GPIO_STRAP_REG	0x0038	Уровни strapping-выводов при сбросе	0x0000 0000
GPIO_IN_REG	0x003C	Уровни на входах GPIO0…21	0x0000 0000
GPIO_STATUS_REG	0x0044	Флаги прерываний выводов	0x0000 0000
GPIO_STATUS_W1TS_REG	0x0048	Установка флагов прерываний записью единицы	0x0000 0000
GPIO_STATUS_W1TC_REG	0x004C	Сброс флагов прерываний записью единицы	0x0000 0000
GPIO_PCPU_INT_REG	0x005C	Прерывания выводов, разрешённые для ядра	0x0000 0000
GPIO_PINn_REG	0x0074 + n · 0x0004	Настройка прерывания и выхода вывода GPIOn	0x0000 0000
GPIO_STATUS_NEXT_REG	0x014C	Текущие сигналы прерываний выводов	0x0000 0000
GPIO_FUNCn_IN_SEL_CFG_REG	0x0154 + n · 0x0004	Вывод для входного сигнала периферии n	0x0000 0000
GPIO_FUNCn_OUT_SEL_CFG_REG	0x0554 + n · 0x0004	Сигнал периферии на выходе GPIOn	0x0000 0080
GPIO_CLOCK_GATE_REG	0x062C	Тактирование регистров GPIO	0x0000 0001
GPIO_DATE_REG	0x06FC	Версия блока: дата ревизии аппаратуры	0x0200 6130

Доступ — обозначения TRM: R/W — чтение и запись, RO — только чтение, WO — только запись, WT — запись 1 запускает действие, SS и SC — бит ставится и сбрасывается аппаратно, WTC — сбрасывается записью 1.

GPIO_BT_SELECT_REG — выбор битов для Bluetooth

Смещение 0x0000, адрес 0x6000 4000, после сброса 0x0000 0000. TRM: регистр 5.1.

Поле	Биты	Доступ	Сброс
BT_SEL	31:0	R/W	0x0000 0000

GPIO_OUT_REG — уровни на выходах GPIO0…21

Смещение 0x0004, адрес 0x6000 4004, после сброса 0x0000 0000. TRM: регистр 5.2.

Поле	Биты	Доступ	Сброс	Назначение
OUT_DATA_ORIG	25:0	R/W/SS	0x0000000	Бит n — уровень на выходе GPIOn, если вывод отдан GPIO_OUT_REG

GPIO_OUT_W1TS_REG — установка выходов в 1 записью единицы

Смещение 0x0008, адрес 0x6000 4008, после сброса 0x0000 0000. TRM: регистр 5.3.

Поле	Биты	Доступ	Сброс
OUT_W1TS	25:0	WT	0x0000000

GPIO_OUT_W1TC_REG — сброс выходов в 0 записью единицы

Смещение 0x000C, адрес 0x6000 400C, после сброса 0x0000 0000. TRM: регистр 5.4.

Поле	Биты	Доступ	Сброс
OUT_W1TC	25:0	WT	0x0000000

GPIO_ENABLE_REG — разрешение выходов GPIO0…21

Смещение 0x0020, адрес 0x6000 4020, после сброса 0x0000 0000. TRM: регистр 5.5.

Поле	Биты	Доступ	Сброс	Назначение
ENABLE_DATA	25:0	R/W/SS	0x0000000	Бит n включает выходной драйвер GPIOn

GPIO_ENABLE_W1TS_REG — включение выходов записью единицы

Смещение 0x0024, адрес 0x6000 4024, после сброса 0x0000 0000. TRM: регистр 5.6.

Поле	Биты	Доступ	Сброс
ENABLE_W1TS	25:0	WT	0x0000000

GPIO_ENABLE_W1TC_REG — выключение выходов записью единицы

Смещение 0x0028, адрес 0x6000 4028, после сброса 0x0000 0000. TRM: регистр 5.7.

Поле	Биты	Доступ	Сброс
ENABLE_W1TC	25:0	WT	0x0000000

GPIO_STRAP_REG — уровни strapping-выводов при сбросе

Смещение 0x0038, адрес 0x6000 4038, после сброса 0x0000 0000. TRM: регистр 5.8.

Поле	Биты	Доступ	Сброс	Назначение
STRAPPING	15:0	RO	0x0000	Уровни strapping-выводов GPIO2, GPIO8 и GPIO9, защёлкнутые при сбросе

GPIO_IN_REG — уровни на входах GPIO0…21

Смещение 0x003C, адрес 0x6000 403C, после сброса 0x0000 0000. TRM: регистр 5.9.

Поле	Биты	Доступ	Сброс	Назначение
IN_DATA_NEXT	25:0	RO	0x0000000	Бит n — уровень на входе GPIOn

GPIO_STATUS_REG — флаги прерываний выводов

Смещение 0x0044, адрес 0x6000 4044, после сброса 0x0000 0000. TRM: регистр 5.10.

Поле	Биты	Доступ	Сброс	Назначение
STATUS_INTERRUPT	25:0	R/W/SS	0x0000000	Бит n — флаг прерывания GPIOn; сбрасывается записью в STATUS_W1TC

GPIO_STATUS_W1TS_REG — установка флагов прерываний записью единицы

Смещение 0x0048, адрес 0x6000 4048, после сброса 0x0000 0000. TRM: регистр 5.11.

Поле	Биты	Доступ	Сброс
STATUS_W1TS	25:0	WT	0x0000000

GPIO_STATUS_W1TC_REG — сброс флагов прерываний записью единицы

Смещение 0x004C, адрес 0x6000 404C, после сброса 0x0000 0000. TRM: регистр 5.12.

Поле	Биты	Доступ	Сброс
STATUS_W1TC	25:0	WT	0x0000000

GPIO_PCPU_INT_REG — прерывания выводов, разрешённые для ядра

Смещение 0x005C, адрес 0x6000 405C, после сброса 0x0000 0000. TRM: регистр 5.13.

Поле	Биты	Доступ	Сброс
PROCPU_INT	25:0	RO	0x0000000

GPIO_PINn_REG — настройка прерывания и выхода вывода GPIOn

22 копии, n = 0…21: смещение 0x0074 + n · 0x0004, после сброса 0x0000 0000. TRM: регистр 5.14.

Прерывание вывода включают двумя полями: условие в PINn_INT_TYPE и получатель в PINn_INT_ENA. Флаг события появляется в GPIO_STATUS_REG; обработчик сбрасывает его записью единицы в GPIO_STATUS_W1TC_REG, иначе прерывание по уровню или повторное событие не будут видны.

31	30	29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17	16
—														PINn_INT_ENA
15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
PINn_INT_ENA			PINn_CONFIG		PINn_WAKEUP_ENABLE	PINn_INT_TYPE			—		PINn_SYNC1_BYPASS		PINn_PAD_DRIVER	PINn_SYNC2_BYPASS

Поле	Биты	Доступ	Сброс	Назначение
PINn_INT_ENA	17:13	R/W	0x00	Куда идёт прерывание: бит 13 — обычное прерывание ядра, бит 14 — немаскируемое
PINn_CONFIG	12:11	R/W	0x0	Зарезервировано
PINn_WAKEUP_ENABLE	10	R/W	0	Пробуждать из лёгкого сна по прерыванию вывода
PINn_INT_TYPE	9:7	R/W	0x0	Условие прерывания: 0 — выключено, 1 — фронт, 2 — спад, 3 — любой перепад, 4 — низкий уровень, 5 — высокий уровень
PINn_SYNC1_BYPASS	4:3	R/W	0x0	Первая ступень синхронизации входа с APB_CLK: 0 — нет, 1 — по спаду, 2 и 3 — по фронту
PINn_PAD_DRIVER	2	R/W	0	Тип выхода: 0 — двухтактный, 1 — открытый сток
PINn_SYNC2_BYPASS	1:0	R/W	0x0	Вторая ступень синхронизации входа, значения как у SYNC1_BYPASS

GPIO_STATUS_NEXT_REG — текущие сигналы прерываний выводов

Смещение 0x014C, адрес 0x6000 414C, после сброса 0x0000 0000. TRM: регистр 5.15.

Поле	Биты	Доступ	Сброс
STATUS_INTERRUPT_NEXT	25:0	RO	0x0000000

GPIO_FUNCn_IN_SEL_CFG_REG — вывод для входного сигнала периферии n

128 копий, n = 0…127: смещение 0x0154 + n · 0x0004, после сброса 0x0000 0000. TRM: регистр 5.16.

15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
—									SIGn_IN_SEL	FUNCn_IN_INV_SEL	FUNCn_IN_SEL

Поле	Биты	Доступ	Сброс	Назначение
SIGn_IN_SEL	6	R/W	0	1 — сигнал идёт через матрицу GPIO, 0 — напрямую от вывода, выбранного в IO MUX
FUNCn_IN_INV_SEL	5	R/W	0	Инвертировать входной сигнал
FUNCn_IN_SEL	4:0	R/W	0x00	Номер вывода, с которого берётся входной сигнал n; 0x1E — постоянная 1, 0x1F — постоянный 0

GPIO_FUNCn_OUT_SEL_CFG_REG — сигнал периферии на выходе GPIOn

22 копии, n = 0…21: смещение 0x0554 + n · 0x0004, после сброса 0x0000 0080. TRM: регистр 5.17.

После сброса во всех регистрах записано 0x80 = 128: выходы управляются регистрами GPIO_OUT_REG и GPIO_ENABLE_REG, а выходные драйверы выключены.

15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
—					FUNCn_OEN_INV_SEL	FUNCn_OEN_SEL	FUNCn_OUT_INV_SEL	FUNCn_OUT_SEL

Поле	Биты	Доступ	Сброс	Назначение
FUNCn_OEN_INV_SEL	10	R/W	0	Инвертировать сигнал разрешения выхода
FUNCn_OEN_SEL	9	R/W	0	Откуда разрешение выхода: 1 — бит GPIO_ENABLE_REG, 0 — от периферии
FUNCn_OUT_INV_SEL	8	R/W	0	Инвертировать выходной сигнал
FUNCn_OUT_SEL	7:0	R/W	0x80	Номер выходного сигнала периферии 0…127 для GPIOn; 128 — уровень и разрешение берутся из GPIO_OUT_REG и GPIO_ENABLE_REG

GPIO_CLOCK_GATE_REG — тактирование регистров GPIO

Смещение 0x062C, адрес 0x6000 462C, после сброса 0x0000 0001. TRM: регистр 5.18.

Поле	Биты	Доступ	Сброс
CLK_EN	0	R/W	1

GPIO_DATE_REG — версия блока: дата ревизии аппаратуры

Смещение 0x06FC, адрес 0x6000 46FC, после сброса 0x0200 6130. TRM: регистр 5.19 (GPIO_DATE_REG).

Поле	Биты	Доступ	Сброс
REG_DATE	27:0	R/W	0x2006130

Частые вопросы

Зачем нужны регистры GPIO_OUT_W1TS_REG и GPIO_OUT_W1TC_REG?

Запись единицы в бит n регистра W1TS ставит выход GPIOn в 1, в бит регистра W1TC — сбрасывает в 0; остальные выводы не меняются. Это одна запись вместо чтения, изменения и записи GPIO_OUT_REG, поэтому прерывание между этими шагами не испортит состояние других выводов.

Как вывести сигнал UART или LEDC на произвольный вывод ESP32-C3?

Записать номер выходного сигнала периферии в поле FUNCn_OUT_SEL регистра GPIO_FUNCn_OUT_SEL_CFG_REG нужного вывода, а для входного сигнала — номер вывода в FUNCn_IN_SEL регистра входного сигнала и бит SIGn_IN_SEL = 1. Так работает функция esp_rom_gpio_connect_out_signal и драйверы ESP-IDF.

Источники

Espressif. ESP32-C3 Technical Reference Manual, версия 1.4 — глава 5: таблица Register Summary и рисунки регистров — смещения, поля, тип доступа и значения после сброса
Espressif. SVD svd/esp32c3.svd, версия 18 (espressif/svd, коммит be20aa1) — базовые адреса периферии, список регистров и полей; лицензия Apache-2.0
Espressif. ESP-IDF v6.1: заголовки components/soc/esp32c3/register/soc/*_reg.h (коммит fff9895) — имена макросов регистров и полей, сверка положения полей и значений по умолчанию; лицензия Apache-2.0 OR MIT

Нашли ошибку в регистрах?