ESP32-S3: выводы чипа и GPIO

Какие выводы свободны

Даташит делит выводы на группы по приоритету: свободные, с оговорками — они конфликтуют с важными функциями — и занятые.

С оговорками — это выводы, у которых есть особая роль:

• GPIO0, GPIO3, GPIO45, GPIO46 — strapping-выводы: их уровень при сбросе задаёт режим загрузки, напряжение флеш-памяти и источник JTAG.
• GPIO19 и GPIO20 — линии USB D− и D+: по умолчанию к ним подключён контроллер USB Serial/JTAG.
• GPIO39–42 — JTAG (MTCK, MTDO, MTDI, MTMS); вместо них отлаживать можно через USB.
• GPIO43 и GPIO44 — UART0: через него загрузчик выводит сообщения и принимает прошивку.
• GPIO33–37 — старшие линии данных и строб восьмилинейной шины памяти; свободны, если флеш-память и PSRAM подключены по четырём линиям.

Таблица выводов

В таблице — все GPIO, номер вывода корпуса QFN56 и, если вывод называется не GPIOn, его имя в даташите. В колонке «Аналог и RTC» — канал АЦП, сенсор касания, кварц 32 кГц или линия USB и номер вывода RTC; в колонке «Функции IO MUX» — прямые функции, кроме самого GPIO. Каналы АЦП и сенсоры сверены с заголовками ESP-IDF.

Флеш-память и PSRAM

Программа ESP32-S3 хранится во внешней или встроенной в корпус флеш-памяти, подключённой к шине SPI0/1 на GPIO26–32 (выводы SPICS1, SPIHD, SPIWP, SPICS0, SPICLK, SPIQ, SPID): на SPICS0 — флеш-память, на SPICS1 — PSRAM. Даташит прямо запрещает использовать выводы, подключённые к памяти в корпусе, для других целей.

В восьмилинейном режиме к шине добавляются GPIO33–36 — линии данных DQ4–DQ7 — и GPIO37 — строб DQS. Восьмилинейная PSRAM стоит в чипах ESP32-S3R8, S3R8V и S3R16V и, соответственно, в модулях ESP32-S3-WROOM-1 с PSRAM на 8 и 16 МБ — N4R8, N8R8, N16R8 и N16R16VA. На выводы модуля WROOM-1 GPIO33 и GPIO34 не выведены вовсе, а у вариантов с восьмилинейной PSRAM заняты и выведенные IO35–37. Модули без PSRAM или с PSRAM на 2 МБ подключают память по четырём линиям, и GPIO33–37 у них свободны.

Память питается от вывода VDD_SPI: 3,3 В от шины VDD3P3_RTC через внутреннее сопротивление около 14 Ом или 1,8 В от встроенного стабилизатора. Чипы ESP32-S3R8V и S3R16V рассчитаны на 1,8 В — и у них от 1,8 В работают также GPIO47 и GPIO48, в отличие от остальных выводов.

Strapping-выводы

Четыре вывода при сбросе читаются как перемычки настройки. Если к ним ничего не подключено, уровень задают внутренние подтяжки:

Самый коварный — GPIO45: если внешняя схема поднимет его при сбросе, а напряжение памяти не закреплено битом eFuse, флеш-память на 3,3 В получит 1,8 В, на которые она не рассчитана. Подробнее — на странице «Strapping-выводы ESP32».

Питание выводов и токи

Выводы питаются от разных шин: GPIO0–21 — от VDD3P3_RTC, GPIO26–32 — от VDD_SPI, GPIO38–46 — от VDD3P3_CPU, а GPIO33–37, 47 и 48 — от VDD_SPI или VDD3P3_CPU, по настройке eFuse. Рекомендованное напряжение всех шин питания — 3,0–3,6 В. Высокий уровень на входе — от 0,75 VDD, низкий — до 0,25 VDD, а выше VDD + 0,3 В подавать нельзя: выводы ESP32-S3 не допускают 5 В. Внутренние подтяжки — около 45 кОм.

Сила выхода настраивается; по умолчанию это 20 мА, у GPIO17 и GPIO18 — 10 мА, у GPIO19 и GPIO20 — 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; суммарно все выводы могут отдать до 1500 мА — это предельное значение, а не рабочее.

Всплески при включении

При подаче питания на части выводов на время около 60 мкс появляется уровень, которого программа не задавала: на GPIO1–17 — низкий, на GPIO18 и GPIO19 — низкий и высокий, на GPIO20 — подтяжка вниз и высокий. У GPIO19 и GPIO20 высоких импульсов два. Для светодиода это незаметно, но реле, ключ питания или драйвер двигателя на таком выводе может кратко сработать. Без всплесков по таблице даташита включаются GPIO0, GPIO21 и выводы с номерами от 26 — однако из них свободны только GPIO21, 38, 47 и 48.

АЦП

Входы АЦП — на GPIO1–20: ADC1_CH0–9 на GPIO1–10 и ADC2_CH0–9 на GPIO11–20. По даташиту после калибровки погрешность составляет ±5 мВ в диапазоне 0–850 мВ, ±6 мВ до 1100 мВ, ±10 мВ до 1600 мВ и ±50 мВ до 2900 мВ при наибольшем ослаблении; эти значения измерены при выключенном Wi-Fi. Как выбирать ослабление и делитель, разобрано в статье «АЦП ESP32» на примере классического ESP32.

Какие выводы доступны на модулях — на страницах ESP32-S3-WROOM-1 и ESP32-S3-MINI-1, как они разведены на готовой плате — на странице ESP32-S3-DevKitC-1.