ESP-IDFを使ってみる

ESP32-S2開発ボード

2019年にESP32-S2がリリースされました。
今回3種類のESP32-S2開発ボードを入手しました。
いずれもLilyGoブランドの製品です。

左から
ESP32-S2-WROOM
ESP32-S2
ESP32-S2+1.14 Inch LCD Display

ESP32開発ボードと比べ、ボードの高さが1ピン分小さくなっているので、ブレッドボードで使うことができます。

ESP32-S2 と ESP32-S2+1.14 Inch LCD Display にはマイクロSDカードスロットが実装されています。
また、バッテリーからも給電可能になっていて、写真右下のスライドSWで給電ポートを切り替えます。
スライドSW=ON：USBポートから給電
スライドSW=OFF：右側の白いコネクターから給電

こちらにLilyGo公式のサンプルコードが公開されています。
FAT32でフォーマットした4GのSDカードを付けて、#define HAS_SDCARDを有効にしてビルドしてみました。
きちんとSDカードを認識しています。
ソースを見るとSDカードリーダーとの接続はSPIインタフェースで、GPIO14がSDカードリーダーのVCCに接続されている様で、
ここをONにして、SDカードリーダーに通電する必要があります。

ログをよく見るとワーニングが表示されています。

このワーニングはmenuconfigで以下の項目を変更することで回避することができます。

Ai-ThinkerのESP-12H搭載の開発ボードを入手しました。
ESP-12HはESP32-S2FのSoCを搭載したモジュールです。
ESP32-S2にはFlashが内蔵されていませんが、ESP32-S2Fには2Mあるいは4MのFlashが内蔵されています。
フルカラーLEDが付いていて、RGBがIO20、IO9、IO19に繋がっています。

ESP32-S2のSoCは30本以上のGPIOを使うことができますが、このボードはTXD、RXDを除いて17本しか使うことができません。

AmicaブランドのNodeMCU(ESP8266)と同じ形状で、Resetボタンとブートモード切替のボタンの位置も同じです。
明らかにESP8266の置き換えを狙った製品です。

この様なファームが最初から書き込まれていました。

ファームを変更してspi_flash_get_chip_size()を実行してみました。
2MBのFlashと言う事は分かりましたので、ESP32-S2FH2のSoCが使われていることが分かりました。
2021年時点でESP32-S2FにはESP32-S2FH2(2M)/ESP32-S2FH4(4M)/ESP32- S2FN4R2(4M+PSRAM)のバリエーションが存在します。

ESP-12H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。
ESP-12に比べてハウジングサイズが少し大きくなっています。

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。
下側のピンも全てGPIOとして使えます。

データシートによるとIO46をPullDown、IO0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が、
IO46は外に出ていないので、IO0をPullDownした状態でリセットすると書き込みモードになります。
IO0をPullUPした状態でリセットすると、IO46の状態に関係なくSPI Flashから起動します。
IO0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。

Pin	Default	SPI boot mode	Download start mode
IO46	PullDown	(ANY)	PullDown
IO0	PullUp	PullUp	PullDown

こちらで紹介しているESP32-C3-12Fでは、GPIO9をSPI boot modeとDownload start modeの切り替えに使用します。
ESP-12Hでは、GPIO0をSPI boot modeとDownload start modeの切り替えに使用します。
どちらもピンの位置が同じ(右側の上から５番目)です。
起動に必要なGND、3.3V、ENも同じ位置なので、書き込みに時にはESP32-C3-12FとESP-12Hで同じ基盤が使えます。
もちろんGPIOのアサインが違うので、実行時の互換性は有りません。

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。

ピッチ変換基盤を使って、必要な抵抗などをブレッドボードパターンのユニバーサル基盤に組むとこのようになります。
No10は3V3とGNDです。
上のNo15から伸びているジャンパー線はENです。
下のNo11から伸びているジャンパー線は、ESP32-C3-12Fの為のIO8のPullUpです。
ESP-12Hでは不要な抵抗です。
下のNo13から伸びているジャンパー線はSPI boot modeとDownload start modeの切り替えです。
この位置がESP-12HとESP32-C3-12Fで同じなので、ESP-12HとESP32-C3-12Fで共通した回路にすることができます。
１本線の抵抗が沢山有りますが、ジャンパー抵抗(0Ω抵抗)で、短い距離の時はこれでパターンを跨いでいます。

GPIOがフルに使えるESP-12Kというモジュールが有りますが、ESP-WROOM-32が左右14ピンに対し、
ESP-12Kは左右16ピンとなっていて、このピン数に対応したピッチ変換基盤が見つかりません。

ESP32 と ESP32-S2 の違いはこちらに良くまとまっています。
EPS32-S2はESP32からいろいろな機能が削られていて、RAMやROMも小さくなっていますが、以下の機能が追加されています。

Wi-Fi ToF(Wi-Fi Round Trip Time)

USB OTG

LCD Interface

Camera Interface

Temperature Sensor

ESP32には有った入力専用GPIOは無くなっています。
全てのGPIOが入出力として使うことができます。

ESP32-S2にはこちらの JPEGライブラリが含まれていません。
espressifに問合せしたら、ESP32-S2のROMが小さいから含めることが出来ないとの回答でした。
但し、ESP-IDF Ver5からはこちらのコンポーネントが使えます。

esp-idfには多数のサンプルコードが付属しています。
ほとんどのサンプルコードがS2/S3のどちらでも動きますが、このサンプルだけはS2だけで動くサンプルコードです。

$ grep -rn  "Supported Targets" *
              | grep ESP32-S2 | grep -v "ESP32 "

              peripherals/rmt/musical_buzzer/README.md:1:| Supported
              Targets | ESP32-C3 | ESP32-C6 | ESP32-H2 | ESP32-P4 |
              ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/dedicated_gpio/soft_uart/README.md:1:|
              Supported Targets | ESP32-C2 | ESP32-C3 | ESP32-C6 |
              ESP32-H2 | ESP32-P4 | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/dedicated_gpio/soft_i2c/README.md:1:|
              Supported Targets | ESP32-C2 | ESP32-C3 | ESP32-C6 |
              ESP32-H2 | ESP32-P4 | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/gpio/matrix_keyboard/README.md:1:| Supported
              Targets | ESP32-S2 |

              peripherals/usb/device/tusb_msc/README.md:1:| Supported
              Targets | ESP32-P4 | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/usb/device/tusb_ncm/README.md:1:| Supported
              Targets | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/usb/device/tusb_hid/README.md:1:| Supported
              Targets | ESP32-P4 | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/usb/device/tusb_composite_msc_serialdevice/README.md:1:|











              Supported Targets | ESP32-P4 | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/usb/device/tusb_serial_device/README.md:1:|
              Supported Targets | ESP32-P4 | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/usb/device/tusb_serial_device/managed_components/espressif__esp_tinyusb/test_app/README.md:1:|











              Supported Targets | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/usb/device/tusb_console/README.md:1:|
              Supported Targets | ESP32-P4 | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/usb/device/tusb_midi/README.md:1:| Supported
              Targets | ESP32-P4 | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/usb/host/usb_host_lib/README.md:1:| Supported
              Targets | ESP32-P4 | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/usb/host/msc/README.md:1:| Supported Targets |
              ESP32-P4 | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/usb/host/cdc/cdc_acm_vcp/README.md:1:|
              Supported Targets | ESP32-P4 | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/usb/host/cdc/cdc_acm_host/README.md:1:|
              Supported Targets | ESP32-P4 | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/usb/host/hid/README.md:1:| Supported Targets |
              ESP32-P4 | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/usb/host/hid/managed_components/espressif__usb_host_hid/test_app/README.md:1:|











              Supported Targets | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/usb/host/uvc/README.md:1:| Supported Targets |
              ESP32-P4 | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/touch_sensor/touch_element/touch_element_waterproof/README.md:1:|











              Supported Targets | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/touch_sensor/touch_element/touch_elements_combination/README.md:1:|











              Supported Targets | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/touch_sensor/touch_element/touch_matrix/README.md:1:|











              Supported Targets | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/touch_sensor/touch_element/touch_slider/README.md:1:|











              Supported Targets | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/touch_sensor/touch_element/touch_button/README.md:1:|











              Supported Targets | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/touch_sensor/touch_sensor_v2/touch_pad_read/README.md:1:|











              Supported Targets | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/touch_sensor/touch_sensor_v2/touch_pad_interrupt/README.md:1:|











              Supported Targets | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/temperature_sensor/temp_sensor/README.md:1:|
              Supported Targets | ESP32-C2 | ESP32-C3 | ESP32-C6 |
              ESP32-H2 | ESP32-P4 | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/spi_slave_hd/segment_mode/seg_slave/README.md:1:|











              Supported Targets | ESP32-C2 | ESP32-C3 | ESP32-C6 |
              ESP32-H2 | ESP32-P4 | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/spi_slave_hd/segment_mode/seg_master/README.md:1:|











              Supported Targets | ESP32-C2 | ESP32-C3 | ESP32-C6 |
              ESP32-H2 | ESP32-P4 | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/spi_slave_hd/append_mode/slave/README.md:1:|
              Supported Targets | ESP32-C2 | ESP32-C3 | ESP32-C6 |
              ESP32-H2 | ESP32-P4 | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              peripherals/spi_slave_hd/append_mode/master/README.md:1:|
              Supported Targets | ESP32-C2 | ESP32-C3 | ESP32-C6 |
              ESP32-H2 | ESP32-P4 | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              protocols/mqtt/ssl_ds/README.md:1:| Supported Targets |
              ESP32-C3 | ESP32-C6 | ESP32-H2 | ESP32-P4 | ESP32-S2 |
              ESP32-S3 |

              security/hmac_soft_jtag/README.md:1:| Supported Targets |
              ESP32-C3 | ESP32-C6 | ESP32-H2 | ESP32-P4 | ESP32-S2 |
              ESP32-S3 |

              security/nvs_encryption_hmac/README.md:1:| Supported
              Targets | ESP32-C3 | ESP32-C6 | ESP32-H2 | ESP32-P4 |
              ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              system/ulp/ulp_riscv/gpio_interrupt/README.md:1:|
              Supported Targets | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              system/ulp/ulp_riscv/interrupts/README.md:1:| Supported
              Targets | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              system/ulp/ulp_riscv/gpio/README.md:1:| Supported Targets
              | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              system/ulp/ulp_riscv/i2c/README.md:1:| Supported Targets |
              ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              system/ulp/ulp_riscv/adc/README.md:1:| Supported Targets |
              ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              system/ulp/ulp_riscv/uart_print/README.md:1:| Supported
              Targets | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              system/ulp/ulp_riscv/ds18b20_onewire/README.md:1:|
              Supported Targets | ESP32-S2 |

              system/ulp/ulp_riscv/touch/README.md:1:| Supported Targets
              | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              system/console/advanced_usb_cdc/README.md:1:| Supported
              Targets | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              system/xip_from_psram/README.md:1:| Supported Targets |
              ESP32-S2 | ESP32-S3 |

              wifi/ftm/README.md:1:| Supported Targets | ESP32-C2 |
              ESP32-C3 | ESP32-C6 | ESP32-S2 | ESP32-S3 |

2022年1月にesp-idf v5が公開されました。
このバージョンからUSB HOST機能がサポートされました。
こちらにサンプルが公開されています。
CDC-ACMを使った通信と、USBメモリー(Flash Drive)アクセスのサンプルが公開されていますが、
USBには様々なプロトコルが有るので、使いこなすには時間がかかりそうです。

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。
FPUが無いので、ESP32よりも浮動小数点演算能力は低いです。

O2オプティマイズを有効にすると、整数演算能力も少し差が付きます。
ESP32ではO2オプティマイズを有効にすると、zero-overhead loopsが有効になりますが、
ESP32-S2にはFPUに加え、zero-overhead loopsの機能も有りません。

こちらにESP32-S2のTemperature Sensorのサンプルコードが公開されています。
3台の開発ボードでビルドしてみました。
室温23.8℃の環境で以下の様になりました。
測定レンジはいずれも-10度から80度で誤差は1度以下のはずですが、個体差が大きいです。

AliExpressでESP32 S2-Miniが投げ売りされています。
$1.49+送料で入手しました。
5mm方眼の上なのでボードのサイズが分かると思います。

ボード上にタイプCのUSBコネクターが実装されていますが、USB-TTL変換チップが実装されていません。
不思議に思っていましたが、こちらにSchematicが公開されていました。
USBポートのD-とD+はGPIO19/20に繋がっています。
単にUSBケーブルでホストと繋いでもUSBデバイスとして認識されません。
ESP32-S2のGPIO19/20はUSB OTGの機能を持っています。
こちらにUSB OTG Console経由でファームウェアをダウンロードする手順が公開されています。
まず、Button0を押した状態でButtonRSTを押し、ButtonRST、Button0の順に離します。
これで、デバイスがUSB CDC経由のROMダウンロードモードに入り、USBデバイス(/dev/ttyACM0)が出現し、ファームを書き込みすることができます。
ファーム書き込み後に、ButtonRSTを押すと単純なリセット動作となり、USBデバイスは消滅します。
つまり、USBコネクターは書き込みには使えますが、STDOUTとしては使えません。
ESP32-S2では、GPIO43/44がU0TXD/U0RXDですが、このGPIOはピンに出ていません。
つまり、このままではシリアルモニターによるロギングを行うことが出来ないトホホなボードです。

そこで、menuconfigでChannel for console outputをUSB CDCに変更し、再度ファームをアップロードします。

ファームのアップロードが終わると、以下の表示となります。

ここでButtonRSTを押します。これが肝です。
これでUSB CDC(USB OTG Console)が有効になっているファームが動き始めます。
これ以降、Button0もButtonRSTも押さずに、ファームの書き込みとモニターができるようになります。
この手順はこちらに公開されています。

ESP-IDF V5.5からCMakeLists.txtにidf_build_set_property(MINIMAL_BUILD ON)が追加されるようになりました。
この指定が有ると、USB OTG Consoleが機能しません。
USB OTG Consoleを使うときは、コメントアウトする必要が有ります。

# The following lines of boilerplate
              have to be in your project's

              # CMakeLists in this exact order for cmake to work
              correctly

              cmake_minimum_required(VERSION 3.16)

              

              include($ENV{IDF_PATH}/tools/cmake/project.cmake)

              # "Trim" the build. Include the minimal set of components,
              main, and anything it depends on.

              #idf_build_set_property(MINIMAL_BUILD ON) ---> コメントアウト

              project(hello_world)

メーカの商品ページによるとSoCは「ESP32-S2FN4R2」、つまりEmbedded Flashが4MB、PSRAMが2MBのモデルです。
PSRAMを有効にしてheap_caps_get_free_size(MALLOC_CAP_SPIRAM)を表示してみました。
Flashについてはembeddedではなく、「chip ID=0x204016」のSPI Flashが使われていると表示されますが、基板上には明らかにSPI Flashは実装されていません。
このchip IDはXM25QH32Bチップであることが分かっています。
PSRAMについては、間違いなく2MBのPSRAMを認識しました。
ESP32S2はRAMが小さいので、大きな領域を確保することができませんが、PSRAMを有効にすると、一気にRAMが大きくなります。

I (514) MAIN: embedded=0

              I (514) MAIN: external flash

              I (514) MAIN: chip ID=0x204016

              I (514) MAIN: flash_capacity=0x16

              I (514) MAIN: external 4 Mbytes flash

              I (514) MAIN: PSRAM size: 2097152 bytes 2 Mbytes

              I (514) MAIN: Free heap size: 2306232 bytes

              I (514) MAIN: Free heap size: 2252 K bytes

ちなみにこちらがPSRAMを持っていないESP32S2の表示です。
Free heap sizeが１桁近く違います。

I (314) MAIN: embedded=0

              I (314) MAIN: external flash

              I (314) MAIN: chip ID=0x204016

              I (324) MAIN: flash_capacity=0x16

              I (324) MAIN: external 4 Mbytes flash

              I (324) MAIN: PSRAM size: 0 bytes 0 Mbytes

              I (334) MAIN: Free heap size: 249240 bytes

I (334) MAIN: Free heap size: 243 K bytes

2MのPSRAM付のESP32S2が$1.49と言うのは、お買い得かもしれません。
結局5個、買ってしまいました。
なお、AliExpressで購入するときは、一気に4個買うよりも、2個を2回に分けて買う方が送料が安くなる場合が有ります。
今回購入したセーラーの場合、2個だと送料が$1.92でしたが、3個以上になると、一気に$5.02に跳ね上がりました。

続く．．．．