《ESP32S3 Arduino开发指南》第四章 ESP32-S3基础知识

正点原子官方 · 发表于 2025-2-22 09:28:23

第四章 ESP32-S3基础知识

欲先善其事，必先利其器，我们不仅要具备软件的实力，更要具备硬件的实力，前面作者已经介绍了Arduino基础知识，它是能让MCU根据开发者的意愿来执行相关的操作，而本章节主要讲解ESP32这一块MCU的硬件知识，它是执行开发者意愿的工具，那么了解它更能让我们掌握它的使用。

本章分为如下几个小节：

4.1 为什么选择ESP32-S3
4.2 初识ESP32-S3
4.3 ESP32-S3功能描述

4.1 为什么选择ESP32-S3

在研发之初，作者也对比过乐鑫官方推出的几款MCU系列，经过它们各自的功能及应用场景来分析，最终作者选择S系列的S3型号。

下面，作者比较一下乐鑫推出的芯片有哪些特点：

硬件比较	S系列	C系列	H系列	ESP32系列
内核数量	单(S2)/双核(S3)	单核	单核	单/双核
时钟频率	240MHz	120MHz	96MHz	80~240MHz
引出编程IO	43~45	14	19	25
神经网络加速	有	无	无	无
通信协议	2.4G\Wi-Fi\BLE	2.4G\Wi-Fi\BLU	BLE	2.4G\Wi-Fi\BLE
SRAM(KB)	320 ~512	272 ~512	320	520
ROM(KB)	128~ 384	348~576	128	448

表4.1.1 乐鑫各系列MCU硬件区别

在上述表格中，我们可以看到乐鑫推出的各系列MCU在硬件方面存在一些差异。下面我将继续分析这些差异及其对应用场景的影响。

1，在内核数量方面：S系列和ESP32系列支持单核和双核处理器，而C系列和H系列仅支持单核处理器。这意味着S系列和ESP32系列在处理多任务和高强度计算方面具有更强的性能。对于需要高效能、多任务处理的应用场景，如复杂算法处理、大数据分析等，S系列和ESP32系列可能更合适。

2，在时钟频率方面，S系列和ESP32系列的时钟频率范围为80~240MHz，而C系列和H系列的时钟频率分别为120MHz和96MHz。较高的时钟频率意味着更快的处理速度和更高的性能。对于需要高速处理的应用场景，如实时信号处理、高速数据采集等，S系列和ESP32系列可能更合适。

3，在引出编程IO方面，S系列和ESP32系列的引出编程IO数量较多，而C系列和H系列的引出编程IO数量较少。这表明S系列和ESP32系列在编程接口的多样性和灵活性方面具有优势。对于需要连接多种外设和传感器的应用场景，S系列和ESP32系列可能更合适。

4，在神经网络加速方面，只有S系列支持神经网络加速功能。这意味着选择S系列可以更好地满足深度学习、图像识别等应用场景的需求。对于需要加速神经网络运算的应用场景，如智能家居控制、智能安防等，S系列可能更合适。

5，在通信协议方面，所有系列都支持2.4G Wi-Fi和蓝牙（BLE），这意味着它们在无线通信方面具有良好的兼容性。

6，在存储器方面，各系列MCU的SRAM和ROM大小有所不同。较大的存储器可以提供更多的程序运行空间和数据存储空间，以满足更复杂的应用需求。对于需要处理大量数据和运行复杂程序的应用场景，如物联网网关、智能仪表等，S系列和ESP32系列可能更合适。

综上所述，乐鑫推出的各系列MCU在硬件方面各有特点，选择哪个系列取决于具体的应用场景和需求。对于需要高性能、多核处理和神经网络加速的应用场景，S系列可能是更好的选择；而对于简单的物联网应用场景，C系列或H系列可能更合适。

正点原子选择S系列的S3型号作为开发板的核心芯片，是为了读者提供更好的学习资源和开发体验，帮助读者更好地掌握物联网和嵌入式开发的相关技术。

另外，乐鑫科技还提供了一个在线选型工具（https://products.espressif.com/#/product-selector?language=zh），名为ESP Product Selector。它可以帮助用户全面了解乐鑫产品与方案、提高产品选型和开发效率，如下图所示。

图4.1.1 乐鑫在线选型工具

上图①显示了筛选工具的选择，左边是产品选型，右边是产品对比。上图②表示产品选型的功能筛选，主要根据客户的需求来选择，例如工作温度、单/双核、是否具备天线等条件，来选择自己心仪的芯片/模组或者开发板。上图③表示功能筛选之后的结果选择，例如芯片/模组或者满足条件的开发板。最后，上图④表示筛选的结果，如果筛选结果是芯片/模组，那么它就会显示符合筛选的芯片型号或者模组。

4.2 初识ESP32-S3

ESP32-S3是一款由乐鑫公司开发的物联网芯片，它具有一些非常独特的功能和特点。以下是对ESP32-S3的初步介绍：

1，架构和性能：ESP32-S3采用Xtensa® LX7 CPU，这是一个哈佛结构的双核系统。它具有独立的指令总线和数据总线，所有的内部存储器、外部存储器以及外设都分布在这两条总线上。这种架构使得CPU可以同时读取指令和数据，从而提高了处理速度。

2，存储：ESP32-S3具有丰富的存储空间。它内部有384 KB的内部ROM，512 KB的内部SRAM，以及8 KB的RTC快速存储器和8 KB的RTC慢速存储器。此外，它还支持最大1 GB的片外flash和最大1 GB的片外RAM。

3，外设：ESP32-S3具有许多外设，总计有45个模块/外设。其中11个具有GDMA（Generic DMA）功能，可以用来进行数据块的传输，减轻CPU的负担，提高整体性能。

4，通信：ESP32-S3同时支持WIFI和蓝牙功能，应用领域贯穿移动设备、可穿戴电子设备、智能家居等。在2.4GHz频带支持20MHz和40MHz频宽。

5，向量指令：ESP32-S3增加了用于加速神经网络计算和信号处理等工作的向量指令。这些向量指令可以大大提高芯片在AI方面的计算速度和效率。

ESP32-S3是一款功能强大、性能丰富的物联网芯片，适用于各种物联网应用场景。以上信息仅供参考，如需了解更多信息，请访问乐鑫公司官网查询相关资料。

4.3 ESP32-S3资源简介

下面来看看ESP32-S3具体的内部资源，如下表所示。

ESP32-S3资源
内核	Xtensa® LX7 CPU	系统定时器	1	UART	3
主频	240MHz	定时器组	2	RNG	1
ROM	384KB	LEDC	1	I2C	2
SRAM	512KB	RMT	1	I2S	2
编程IO	45GPIO	PCNT	1	SPI	4（0、1禁用）
工作电压	3.3	TWAI	1	RGB	1
Wi-Fi/BLUE	1/1	USB OTG	1	SD/MMC	1

表4.3.1 ESP32-S3内部资源表

由表可知，ESP32内部资源还是非常丰富的，本书将针对这些资源进行详细的使用介绍，并提供丰富的例程，供大家参考学习，相信经过本书的学习，您会对ESP32-S3系列芯片有一个全面的了解和掌握。

关于ESP32-S3内部资源的详细介绍，请大家参考“光盘àA 盘à7，硬件资料à2，芯片资料àesp32-s3_technical_reference_manual_cn.pdf”，该文档即ESP32-S3的技术手册，里面有 ESP32-S3详细的资源说明和相关性能参数。

4.4 S3系列型号对比

乐鑫S3系列型号包括ESP32-S3、ESP32-S3R2、ESP32-S3R8和ESP32-S3FN8等。这些型号在硬件配置、功能和应用场景方面略有不同。不同型号的MCU都有不同的应用场景，下面我们来看一下这些型号的命名规则，如下图所示。

图4.4.1 ESP32-S3系列芯片命名规则

从上图可以看到，F表示内置FLASH；H/N表示FLASH温度(H：高温，N：常温)；x表示内置FLASH大小（MB）；R表示内置PSRAM；x表示内置PSRAM大小（MB）；V表示仅支持外部1.8v spi flash。为了让读者更清晰了解ESP32-S3命名规则，这里作者以ESP32-S3FH4R2这一款芯片为例，绘画一副清晰的命名示意图，如下图所示。

图4.4.2 ESP32-S3FH4R2命名解析

根据上述两张图的分析，我们可以了解到乐鑫S3系列的命名规则和特点。除了S3系列的芯片之外，乐鑫还推出了S3系列的模组，它是S3系列芯片的简易系统。

乐鑫S3系列模组是基于S3系列芯片的子系统，它已经设计好了外围电路，简化了开发过程，让开发者可以更快速地使用S3系列芯片进行开发。通过使用S3系列模组，开发者可以更容易地实现特定功能，缩短开发周期，提高开发效率。

乐鑫推出了ESP32-S3-WROOM-1 和 ESP32-S3-WROOM-1U两款通用型Wi-Fi+低功耗蓝牙MCU模组，如下图所示，它们搭载ESP32-S3系列芯片。除具有丰富的外设接口外，模组还拥有强大的神经网络运算能力和信号处理能力，适用于AIoT领域的多种应用场景，例如唤醒词检测和语音命令识别、人脸检测和识别、智能家居、智能家电、智能控制面板、智能扬声器等。

图4.4.3 ESP32-S3-WROOM-1 和 ESP32-S3-WROOM-1U的功能框图

从上图可知，ESP32-S3-WROOM-1采用 PCB 板载天线，而 ESP32-S3-WROOM-1U采用连接器连接外部天线。两款模组均有多种芯片型号可供选择，具体见下表所示：

模组型号	内置芯片	外置FLASH	内置PSRAM
ESP32-S3-WROOM-1-N4	ESP32-S3	4	0
ESP32-S3-WROOM-1-N8	ESP32-S3	8	0
ESP32-S3-WROOM-1-N16	ESP32-S3	16	0
ESP32-S3-WROOM-1-H4	ESP32-S3	4	0
ESP32-S3-WROOM-1-N4R2	ESP32-S3R2	4	2（Quad SPI）
ESP32-S3-WROOM-1-N8R2	ESP32-S3R2	8	2（Quad SPI）
ESP32-S3-WROOM-1-N16R2	ESP32-S3R2	16	2（Quad SPI）
ESP32-S3-WROOM-1-N4R8	ESP32-S3R8	4	8（Octal SPI）
ESP32-S3-WROOM-1-N8R8	ESP32-S3R8	8	8（Octal SPI）
ESP32-S3-WROOM-1-N16R8	ESP32-S3R8	16	8（Octal SPI）
ESP32-S3-WROOM-1U-N4	ESP32-S3	4	0
ESP32-S3-WROOM-1U -N8	ESP32-S3	8	0
ESP32-S3-WROOM-1U -N16	ESP32-S3	16	0
ESP32-S3-WROOM-1U -H4	ESP32-S3	4	0
ESP32-S3-WROOM-1U -N4R2	ESP32-S3R2	4	2（Quad SPI）
ESP32-S3-WROOM-1U -N8R2	ESP32-S3R2	8	2（Quad SPI）
ESP32-S3-WROOM-1U -N16R2	ESP32-S3R2	16	2（Quad SPI）
ESP32-S3-WROOM-1U -N4R8	ESP32-S3R8	4	8（Octal SPI）
ESP32-S3-WROOM-1U -N8R8	ESP32-S3R8	8	8（Octal SPI）
ESP32-S3-WROOM-1U -N16R8	ESP32-S3R8	16	8（Octal SPI）

表4.4.1 通用型模组的命名

根据上表，可以看出这两款模组的主控芯片是ESP32-S3和ESP32-S3Rx，它们都属于乐鑫的ESP32-S3系列芯片。之前作者已经详细讲解了ESP32-S3系列芯片的命令规则，可以得出这两款通用模组都是外接Flash存储器，并且内置有PSRAM（主控芯片ESP32-S3没有内置PSRAM）。下面我们以ESP32-S3-WROOM-1-N16R8模组为例，来讲解模组的命名规则，如下图所示。

图4.4.3 模组的命令规则

通过了解模组内置的主控芯片类型，开发者可以更好地理解该模组的功能和特点，并根据需要进行相应的开发和应用。正点原子ESP32-S3开发板是以ESP32-S3-WROOM-1-N16R8模组作为主控，它可以提供稳定的控制系统和高效的数据处理能力，同时引出的IO可以满足各种应用需求。

后续内容请查看以下PDF：