ESP-IDFを使ってみる

ESP32-C3開発ボード

2020年にESP32-C3が発表されました。
データシートがこちらに公開されていますが、CPUコアがXtensaからRISC-Vに変わっています。
また、ESP32が48ピンのCore、ESP32-S2が56ピンのCoreですが、ESP32-C3は32ピンとCoreのピン数が少なくなっています。

2021年の7月にようやく開発ボードを入手しました。
どちらもフルカラーLEDが付いていて、RGBがIO3、IO4、IO5に繋がっています。
レギュレータはAMS1117ではなく、CJT1117Bという互換製品が使われています。

ESP32-C3Sのボードの裏面のシルク印刷にはIO19が2か所あります。
IO10の１つ上はIO9の間違いです。
使えるGPIOはIO0からIO10、IO18、IO19の13本です。
ESP32はGPIO01がU0_TXD、GPIO03がU0_RTXですが、ESP32-C3はGPIO20がU0_TXD、GPIO21が U0_RTXなので、
GPIO01とGPIO03は普通のGPIOとして使えます。
CoreからはGPIO11からGPIO17も出ていますが、これらはSPI Flashとの接続に使われています。

- GPIO0-10　GPIO
- GPIO11-17 SPI Flashとの接続
- GPIO18-19 GPIO、またはUSB シリアル/JTAG コントローラー
- GPIO20-21 UART

ESP32やESP32-S2に比べ、13本のGPIOは少なく感じますが、普通の用途であれば13本あれば十分です。

どちらのボードにもこの様なファームが最初から書き込まれていました。

コアがXtensaからRISC-Vに変わりました。
こちらのコードで、真面目にベンチマークを計ってみました。
160MHzの結果を一覧にすると、このようになります。
Dhrystone(整数演算能力)はESP32よりも高いことが分かりました。

	Dhrystone(MIPS)	Whetstones(MIPS)
ESP8266@160	57	6.2
ESP32@160	142	9.1
ESP32S2@160	95	8.3
ESP32S3@160	142	10.0
ESP32C3@160	167	8.3

esp-idfにはESP32-S2やESP32-C3専用のサンプルコードが幾つか付属しています。
これを見る限り、ESP32-C3だけで利用できる機能はBluetooth5だけです。

$ grep -rn  "Supported Targets" *
              | grep ESP32-C3 | grep -v "ESP32 "

              bluetooth/bluedroid/ble_50/peroidic_adv/README.md:1:|
              Supported Targets | ESP32-C3 |

              bluetooth/bluedroid/ble_50/ble50_security_server/README.md:1:|







































































































































              Supported Targets | ESP32-C3 |

              bluetooth/bluedroid/ble_50/peroidic_sync/README.md:1:|
              Supported Targets | ESP32-C3 |

              bluetooth/bluedroid/ble_50/multi-adv/README.md:1:|
              Supported Targets | ESP32-C3 |

              bluetooth/bluedroid/ble_50/ble50_security_client/README.md:1:|







































































































































              Supported Targets | ESP32-C3 |

              peripherals/rmt/musical_buzzer/README.md:1:| Supported
              Targets | ESP32-S2 | ESP32-C3 |

              peripherals/temp_sensor/README.md:1:| Supported Targets |
              ESP32-S2 | ESP32-C3 |

              peripherals/adc/esp32c3/adc/README.md:1:| Supported
              Targets | ESP32-C3 |

              protocols/mqtt/ssl_ds/README.md:1:| Supported Targets |
              ESP32-S2 | ESP32-C3 |

              wifi/ftm/README.md:1:| Supported Targets | ESP32-S2 |
              ESP32-C3 |

既存のアプリをいくつかESP32-C3で動かしてみました。
少しだけはまりどころが有ります。

ESP32-C3の開発ボードには2M Flashのモデルと4M Flashのモデルが有ります。
4Mの設定のままで、2M Flashのモデルでビルドすると以下の様にabortします。

aaa

memuconfigでFlash sizeを変更する必要が有ります。

ESP32-C3Sが使われている開発ボードでは、以下のエラーでabortしました。

こちらもmemnuconfigでSupported Revisionを変える必要が有ります。

これらの開発ボードではなぜかGPIO06、GPIO08、GPIO09、GPIO19はSPIのクロックピンに使えませんでした。
ESP32-C3のデータシートを見てみましたが理由が分からないので、この開発ボードだけの制限かもしれません。
SPIのMISOには制限は有りませんでした。どのGPIOも使えました。

こちらの開発ボードにはAi ThinkerのESP-C3-13の2Mモジュールが使われています。

ESP-C3-13はESP-WROOM-02(ESP13)と同じフォームファクターのモジュールです。
ESP-WROOM-02用のピッチ変換基盤が使えます。

フォームファクターは同じですが、ピンアサインは違っています。

ピンアサインを比べるとこの様になります。
3V3、EN、GND、TXD、RXDの位置だけは同じです。

IO8をPullUp、IO9をPullDownにした状態でリセットすると書き込みモードになります。
IO9をPullUPした状態でリセットすると、IO8の状態に関係なくSPI Flashから起動します。
IO9はSoC内部でPullUpされているので、オープンにするとPullUpとなります。
ENはPullUpされていないので、リセット回路を構成する際にはPullUpしておく必要があります。
IO8は常にPullUpしていても問題ありません。

Pin	Default	SPI Start up mode	Download Start up mode
IO8	Non	(Don't care)	PullUp
IO9	PullUp	PullUp	PullDown

2021年8月時点で以下の4種類のESP-C3-13が入手可能です。
C3FN4には4M Flashが内蔵されています。
C3-2Mには外付けの2M Flashがハウジングされています。

aitendoのピッチ変換基盤にマウントしてみました。
PullUp、PullDown抵抗は４つで済みます。
SPI CLOCKピンの制限ですが、GPIO6、GPIO8、GPIO9、GPIO19も問題なく使えました。
ESP-IDFのIssuesを検索しても、見つからなかったので開発ボード固有の問題の様です。

こちらはESP-C3-12Fが使われている開発ボードです。
どちらもフルカラーLEDが付いていて、RGBがIO3、IO4、IO5に繋がっています。

裏面のマーキングはどちらも同じですが、ピンのマーキングが見事に間違っています。
GPIO-->繋がっているピンヘッダー
GPIO0-->右側の下から３番目のNC
GPIO1-->GPIO0
GPIO18-->GPIO19
GPIO19-->GPIO18
GPIO9-->GPIO10
GPIO10-->GPIO9

2021年8月時点で2種類のESP-C3-12Fが入手できます。
こちらのボードにはC3コアが使われています。
C3コアはFlashを内蔵していないので、外付けの2M Flashがハウジングされています。

こちらのボードにはC3FN4コアが使われています。
C3FN4コアには4M Flashが内蔵されています。

ESP-C3-12FはESP-12と同じフォームファクターのモジュールです。
ESP-12用のピッチ変換基盤が使えます。

フォームファクターは同じですが、ピンアサインは違っています。

ピンアサインを比べるとこの様になります。
3V3、EN、GND、TXD、RXDの位置だけは同じです。
IO6、IO7以外の下側のピンは何処にも繋がっていません。

aitendoのピッチ変換基盤にマウントしてみました。
右側は同じフォームファクターのESP-12です。
ESP-12には有るオンボードLEDは、ESP-C3-F12には有りません。

欠けている場所にはIPEXアンテナコネクターを付けることができます。

ESP12に比べ、Boot Strapとして使用するGPIOが少ないので、Boot Strap用のPullUp、PullDownの抵抗の数は減ります。

2021年10月にM5Stamp C3 Mateという製品が発売されました。
ESP32-C3FH4のSoCを中心に、SY8003のSTEP DOWN レギュレータと、USB-TTL変換を組み合わせた製品です。
SK6812のFull Color LED、ピンヘッダーやGrove Connectorもついて、大体1000円ぐらいで購入できます。
こちらにSchematicsが公開されています。
USB-TTL変換チップがCH9102Fという、今まで聞いたことが無いチップです。
こちらにCH9102Fドライバーのインストール方法が紹介されています。

2022年1月にM5Stamp C3U Mateという製品が発売されました。
switch-scienceのページを見ると、以下の記載が有ります。

M5Stamp C3との違い

              

              "C3U"はUSB変換ICが省略されました。USB type
              Cポートから直接ESP32-C3に接続されており、ESP32-C3に組み込まれているUSBシリアル機能でプログラム書き込みを行います。

こちらに回路図が公開されていますが、ESP32-C3のGPIO18とGPIO19をUSBとして使っています。
この機能はUSB Serial/JTAG Controller Consoleと呼ばれ、こちらに公式のドキュメントが公開されています。

LuatOSブランドのチープなESP32-C3開発ボードを入手しました。
ESP32-C3チップが直付けされています。
ベンダーの製品ページがこちらに有りますが全て中国語です。
価格は上のボードが$2.24+送料、下のボードが$1.82＋送料と格安です。
ESP8266のNodeMCUボードが$1.75+送料程度なので、ほとんど価格差は有りません。
この価格差であれば、ESP8266を選ぶ理由はもうありません。

上のボードはUSB-TTL変換チップとしてQinHeng Electronicsの変換チップが使われています。
変換チップのマーキングは「343PB49」です。udevadmで調べるとこの様に表示されます。
ネットで調べましたが、明確な情報は得られませんでした。
マーキングから推測すると、CH343互換チップだと思います。

$ sudo udevadm info -q property -n
              /dev/ttyACM0

DEVPATH=/devices/pci0000:00/0000:00:1a.0/usb1/1-1/1-1.1/1-1.1:1.0/tty/ttyACM0

              DEVNAME=/dev/ttyACM0

              MAJOR=166

              MINOR=0

              SUBSYSTEM=tty

              USEC_INITIALIZED=21090753

              ID_BUS=usb

              ID_VENDOR_ID=1a86

              ID_MODEL_ID=55d3

              ID_PCI_CLASS_FROM_DATABASE=Serial bus controller

              ID_PCI_SUBCLASS_FROM_DATABASE=USB controller

              ID_PCI_INTERFACE_FROM_DATABASE=EHCI

              ID_VENDOR_FROM_DATABASE=QinHeng Electronics

              ID_MODEL_FROM_DATABASE=8 Series/C220 Series Chipset Family
              USB EHCI

              ID_VENDOR=1a86

              ID_VENDOR_ENC=1a86

              ID_MODEL=USB_Single_Serial

              ID_MODEL_ENC=USB\x20Single\x20Serial

              ID_REVISION=0443

              ID_SERIAL=1a86_USB_Single_Serial_544C001139

              ID_SERIAL_SHORT=544C001139

              ID_TYPE=generic

              ID_USB_INTERFACES=:020201:0a0000:

              ID_USB_INTERFACE_NUM=00

              ID_USB_DRIVER=cdc_acm

              ID_USB_CLASS_FROM_DATABASE=Communications

              ID_PATH=pci-0000:00:1a.0-usb-0:1.1:1.0

              ID_PATH_TAG=pci-0000_00_1a_0-usb-0_1_1_1_0

              ID_MM_CANDIDATE=1

DEVLINKS=/dev/serial/by-path/pci-0000:00:1a.0-usb-0:1.1:1.0
/dev/serial/by-id/usb-1a86_USB_Single_Serial_544C001139-if00

              TAGS=:systemd:

下のボードはM5Stamp C3U Mateと同様に、USB-TTL変換チップが省略されていて、ESP32-C3のGPIO18とGPIO19をUSBとして使っています。
USBコネクターはどちらもType-Cが使われています。
レギュレータはH7211-33M5Rで300mAまで流せるみたいです。

裏は同じマーキングです。

ESP32搭載の開発ボードと比べるとずいぶん小さいことが分かります。

コアはFlashが内蔵されていないESP32-C3です。
こちらに変換チップ付きの回路図、こちらに変換チップ無しの回路図が公開されています。
この類のボードで回路図が公開されているのは、なかなか珍しいです。
Flashとの接続はSPICS0(GPIO14)、SPICLK(GPIO15)、SPID(GPIO16)、SPIQ(GPIO17)の４線だけで、
FlashのSPIHD(Hold Input)とSPIWP(Write Protect Input)は3.3V直結です。
その結果、本来はこれらの用途に使われるGPIO12、GPIO13はGPIOとして使えます。
GPIO12とGPIO13はオンボードLEDに繋がっています。
Flashへの電源供給に使われるGPIO11はVDD_SPIとして常に3.3Vが出力されていて、GPIOとして使うことはできません。
ESP32C3ではVDD_SPIを制御することができません。

マウントされているFlashの形状が明らかに違います。
上のボードにはMACRONIXのMX25L3233F(32Mbit)、下のボードにはTsingTengのTH25Q- 32HA(32Mbit)が使われています。
SPI Flashは規格が厳密に規定されているので、出荷時期やロット、Flashチップの価格により、採用されるFlashチップは変わるのだと思います。

なんとなく、はんだの付き方がFlashだけは手作業のような気がします。
Flashチップの足の長さが違うので、チップマウンターを使った自動マウントができなかったのでしょうか？

Linuxマシンに接続すると、どちらも/dev/ttyACM0として認識します。
lsusbでデバイス情報を表示すると、上が変換チップ付き、下が変換チップ無しの情報です。

$ lsusb

              

              Bus 001 Device 028: ID 1a86:55d3 QinHeng Electronics

              

              Bus 001 Device 010: ID 303a:1001 Espressif USB JTAG/serial
              debug unit

変換チップが無いボードでは、GPIO18とGPIO19をUSBとして使うので、これらをオープンにしておかないと書き込みができません。
いくつかサンプルコードを書き込んでみましたが、問題なく使えます。

気になっていたGPIO18とGPIO19ですが、変換チップが有るボードでは普通のGPIOとして使えます。
これらのGPIOに対するLチカコードが動きます。
変換チップが無いボードでは、普通のGPIOとして使えません。
GPIO18、GPIO19をLチカしてみましたが、正しく動きません。
また、GPIO18、GPIO19をLチカするファームを書き込むと、手動でBOOTスイッチを切り替えないと、書き込みが出来なくなります。
汎用的に作るならば、ESP32-C3でGPIO18とGPIO19は使わない方がいいです。

変換チップが有るボードではConsole Componentが正しく動きますが、
変換チップが無いボードではConsole Componentが正常に動作しません。
以下の警告が表示されます。

--- Warning: Writing to serial is
              timing out. Please make sure that your application
              supports an interactive console and that you have picked
              the correct console for serial communication.

これは、menuconfigで以下を変更することで正しく動作するようになります。
また、変換チップが無いボードではMonitor実行中にRESETボタンを押すと、Monitorが止まってしまいます。
変換チップの有無で価格は$0.4ぐらいしか変わらないので、変換チップ有りがお勧めです。

少し脱線しますが、LinuxホストのUSBポートに接続すると、ttyUSBxとして認識されるボードと、ttyACMxとして認識されるボードが有ります。
こちらにttyUSBとttyACMの違いが公開されています。
どうもttyUSBとttyACMは、モデム関連の機能が違うことを示しているみたいです。

少し変わったESP32-C3開発ボードを入手しました。
使われているSoCはESP32-C3-MINI-1です。
写真の様にTYPE-Cのポートが２つ付いています。
上側のポートはCH340Kに繋がっていて、ttyUSB0として認識されます。
下側のポートは直接、ESP32-C3のGPIO18/19に繋がっていて、ttyACM0として認識されます。
上側のポートも下側のポートも、どちらも同じ内容がロギング出力されるので、片方を通信ポートとして使うことはできません。
フルカラーLEDはWS2812でGPIO8に繋がっています。
単純なGPIOのON/OFFでは制御できません。ドライバーが必要です。
WS2812のドライバーはこちらに公開されています。
コンポーネントライブラリとして追加することができます。

幅は結構広いです。

ものすごく小さなESP32-C3開発ボードを入手しました。
基板サイズは18.00x22.52mmの完全に切手サイズです。
MCUはFlash内蔵のESP32-C3FN4、レギュレータはME6211(500mA)が使われています。、
標準的なESP32開発ボードの半分以下の大きさしかありません。
M5Stamp C3U Mateと同様に、TTL-USB変換チップは使わずに、GPIO18とGPIO19をUSBとして使っています。
AliExpressで送料別で$1.61でした。
AliExpressは、$10以上のまとめ買いをすると送料無料のサービスが有りますが、3個以上まとめて買うと、トータル金額に関係なく、
送料無料のキャンペーン(Choiceセール)を時々やっています。
このキャンペーンを使うと、2個買うよりも、3個買った方がトータルが安くなることが有ります。
同じものを3個買っても送料無料です。
例えば送料が$1.99の場合、2個だと$1.61+$1.61+$1.99=$5.21ですが、3個だと$1.61+$1.61+$1.66=$4.83になります。
このキャンペーンを使って送料込み$4.83で3個買いました。

裏にはESP32 Super Miniと言うロゴが印刷されています。
ESP32-C3はGPIO0からGPIO21を持っていますが、GPIO11はSPIへの電源供給、GPIO12-17はSPI Flashとの接続、GPIO18-19はUSB Serial/JTAG function、
GPIO20-21はUARTとして使われます。
従って、ユーザーが使うことが出来るのは、GPIO0からGPIO10とGPIO20/GPIO21です。
このボードは、ユーザーが使うことが出来るGPIOだけがピンヘッダーに出ています。
GPIO2、GPIO8、GPIO9はBootstrapなので使用する場合は注意が必要です。
電源関係は5V、GND、3.3Vがそれぞれ1ピンだけ出ています。

こちらに ESP32-C3ベースのスマートスイッチの紹介ページが有ります。
このページの下の方に、ESP32-C3 SoCの比較表が有りますが、
ESP32-C3 SoCのVriantsとして、ESP8685H2が掲載されてます。

ESP8684とESP8685の違いがこちらに紹介されています。
この記事によると、ESP8685はESP32-C3F2とソフトウェア的に同じで、
ESP-IDFの「esp32c3」ターゲットを使用してソフトウェアをコンパイルできると書かれています。

ESP8685はESP32-C3のバリエーションの様ですが、なぜか名前にESP32が付きません。
2022年1月時点で、こちらのページでは既にMass Productionとなっています。
こちらのページからESP32-C3とESP8685だけを抜き出してみました。
ESP32-C3と比べると、ESP8695はGPIOが22→15になっています。

name	mpn	status	type	wifi	bluetooth	operatingTemp	gpio	flash	sram	rom	freq	dimensions	spq	moq
ESP32-C3	ESP32-C3	Mass Production	SoC	IEEE 802.11 b/g/n; 2.4 GHz; HT20/40; up to 150 Mbps	Bluetooth LE v5.0	-40 ~ 105	22	0	400	384	160	QFN32 (5*5)	5000	5000
ESP32-C3	ESP32-C3FN4	Mass Production	SoC	IEEE 802.11 b/g/n; 2.4 GHz; HT20/40; up to 150 Mbps	Bluetooth LE v5.0	-40 ~ 85	22	4	400	384	160	QFN32 (5*5)	5000	5000
ESP32-C3	ESP32-C3FH4	Mass Production	SoC	IEEE 802.11 b/g/n; 2.4 GHz; HT20/40; up to 150 Mbps	Bluetooth LE v5.0	-40 ~ 105	22	4	400	384	160	QFN32 (5*5)	5000	5000
ESP8685	ESP8685H2	Mass Production	SoC	IEEE 802.11 b/g/n; 2.4 GHz; HT20/40; up to 150 Mbps	Bluetooth LE v5.0	-40 ~ 105	15	2	400	384	160	QFN28 (4*4)	5000	5000

ESP32-C3のGPIOは以下の様にアサインされています。
- GPIO0-10 GPIO
- GPIO11 SPI Flashへの電源供給
- GPIO12-17 Exrternal SPI Flashとの接続専用
- GPIO18-19 GPIO、またはUSB
- GPIO20-21 UART
GPIO11-17は、External SPI Flashとの接続専用になっていて、
ピンの名前はGPIOnではなく、VDD_SPI/SPIHD/SPIWP/SPICS0/SPICLK/SPID/SPIQとなっています。
ESP32-C3Fモデル(FはEmbedded Flashを示す)は、既にSPI Flashをコア内にビルトインしています。
これらのモデルでは、GPIO11だけが存在し、GPIO12-17はN/Cになっています。

ESP8685のデータシートがこちらに公開されてます。
ESP8685のGPIOは以下の様にアサインされていて、GPIO11-17が有りません。
- GPIO0-10　GPIO
- GPIO18-19 GPIO、またはUSB
- GPIO20-21 UART

ESP8685のデータシートを注意深く見てみると、SoCから出ているピン(IOポート)の数がESP32-C3とは違っていました。
これがチップサイズ(ダイサイズ）の違いになっています。
ダイサイズが5x5から4x4になると、同じ面積でより多くのチップが取れるので、それだけコストダウンになります。
ESP32-C3：32ピンで、External SPI Flashとの接続ピン(GPIO11-17)がSoCから出ています。
ESP8685：28ピンで、External SPI Flashとの接続ピンは有りません。

	ESP32-C3	ESP32-C3 Fモデル	ESP8685
GPIO0-10	有り	有り	有り
GPIO11	有り	有り	無し
GPIO12-17	有り	N/C	無し
GPIO18-21	有り	有り	有り

コア内にSPI Flashを内蔵しているSoCでは、GPIO11-17(Exrternal SPI Flashとの接続専用)は使い道が無いので、ESP8685ではこれらが削除された様です。
2021年12月27日に、ESP8685-WROOM-03のデータシートがこちらに公開されました。
2022年2月の時点で、ESP8685を使った開発ボードやSoCモジュールはまだ入手できません。

こちらにESP32-C3のSPI Master Driverに関する仕様が公開されています。
ESP32-C3は3つのSPI-BUS(SPI0 SPI1 SPI2)を持っています。
SPI0 と SPI1 は、ESP32-C3 に取り付けられたフラッシュメモリにアクセスするために内部で使用されます。
両方のコントローラーは同じ SPI バス信号を共有し、どちらがバスにアクセスできるかを決定するアービターがあります。
現在、SPI マスタードライバーは SPI1 バスをサポートしていません。
SPI2は汎用SPIコントローラーです。バスには、最大6つのSPIスレーブを駆動するための6つのCSラインがあります。
その結果、合計、6台までのSPI SlaveをHardware CSを使って制御することができますが、
これを超えるときは、Hardware CSではなく、Software CSを使う(要するに自分でCSのGPIOをHigh/Lowに切り替える)必要が有ります。
ESP32やESP32S2と違って、SPI3を使うことはできません。
ESP32-C3もESP8685も、SPI Master Driverの仕様は同じ仕様です。

こちらにESP8685-WROOM-01のデータシートが公開されています。
また、こちらにESP8685-WROOM-04のデータシートが公開されています。
フォームファクターを見ると完全にESP12シリーズと同じ様です。

こちらに ESP32-C3の製品情報が公開されています。
ESP32-C3の一員としてESP8685が登場しています。
ESP32-C3とESP8685のデータシートを見比べてみましたが、GPIOの数以外に違いは見つけられませんでした。

	ESP32-C3	ESP8685
CPU	32-bit RISC-V single-core processor, up to 160MHz	32-bit RISC-V single-core processor, up to 160MHz
Memory	384 KB ROM 400 KB SRAM	384 KB ROM 400 KB SRAM
Wi-Fi	802.11 b/g/n	802.11 b/g/n
Bluetooth	Bluetooth 5.0/Bluetooth Mesh	Bluetooth 5.0/Bluetooth Mesh
Advanced Peripheral Interfaces	• 22 or 16 × programmable GPIOs • 2 × 12-bit SAR ADCs, up to 6 channels • 1 × temperature sensor • 3 × SPI • 2 × UART • 1 × I2C • 1 × I2S • 1 × Remote control peripheral (RMT) (TX/RX) • 1 × LED PWM controller, up to 6 channels • 1 × General DMA controller (GDMA), with 3 transmit channels and 3 receive channels • 1 × TWAI controller (compatible with ISO 11898-1) • 1 × USB Serial/JTAG Controller Console	• 15 × programmable GPIOs • 2 × 12-bit SAR ADCs, up to 6 channels • 1 × temperature sensor • 3 × SPI • 2 × UART • 1 × I2C • 1 × I2S • 1 × Remote control peripheral (RMT) (TX/RX) • 1 × LED PWM controller, up to 6 channels • 1 × General DMA controller (GDMA), with 3 transmit channels and 3 receive channels • 1 × TWAI controller (compatible with ISO 11898-1) • 1 × USB Serial/JTAG Controller Console

続く．．．．