ESP32 S3 ピンアサインについて

ESP32 S3では、ほとんどのペリフェラルの入出力を任意のGPIOに割り振れますが、一部例外もあるため、実質使えるピンをまとめました。

ストラッピング ピン(Strapping Pins)

起動時やリセット時に、ブートモード、ROMメッセージの出力、フラッシュ用のSPIの電圧の設定(1.8Vまたは3.3V)、JTAGの設定を決めるためのピンがあります。起動後は通常のIOピンとして使用可能です。

機能	ピン	チップ内部の弱プルアップ/ダウン設定
ブートモード	GPIO0	プルアップ
	GPIO46	プルダウン
VDD_SPI	GPIO45	プルダウン
JTAG	GPIO3	フローティング

ブートモード	GPIO0	GPIO46
SPIブート (通常起動)	1	X
ダウンロードブート (書込み)	0	0

IO MUX / GPIO Matrix

ESP32 S3では、ペリフェラルの入出力を、任意のGPIOピンに割り振ることができるGPIO Matrixか、GPIO Matrixより高速な信号を通せるが決まったピンに割り振る必要があるIO MUXのどちらを経由して接続することになります。SPI, JTAG, UARTの様に高速で動作させたい信号線は、IO MUXを使い決まったピンを使うとよいでしょう。また、USBの様にGPIO Matrixを利用できないペリフェラルもあります。

以下にピンアサインとIO MUXで各ペリフェラル毎に割り振れる機能をまとめました。非推奨の使い方になっている機能は除外しました。

ピン 番号	名称	Type	電源/ブート	GPIO 番号	ADC	RTC	TOUCH	UART	SPI2 (FSPI)	USB	JTAG	PSRAM
1	GND	P	GND
2	3V3	P	3.3V
3	EN	I	High:on Low:off
4	IO4	I/O/T		4	ADC1_3	GPIO4	4
5	IO5	I/O/T		5	ADC1_4	GPIO5	5
6	IO6	I/O/T		6	ADC1_5	GPIO6	6
7	IO7	I/O/T		7	ADC1_6	GPIO7	7
8	IO15	I/O/T		15	ADC2_4	GPIO15		U0_RTS
9	IO16	I/O/T		16	ADC2_5	GPIO16		U0_CTS
10	IO17	I/O/T		17	ADC2_6	GPIO17		U1_TXD
11	IO18	I/O/T		18	ADC2_7	GPIO18		U1_RXD
12	IO8	I/O/T		8	ADC1_7	GPIO8	8
13	IO19	I/O/T		19	ADC2_8	GPIO19		U1_RTS		D-
14	IO20	I/O/T		20	ADC2_9	GPIO20		U1_CTS		D+
15	IO3	I/O/T	JTAG選択 (フローティング)	3	ADC1_2	GPIO3 I2C_SDA1	3
16	IO46	I/O/T	ブート選択 (プルダウン)	46
17	IO9	I/O/T		9	ADC1_8	GPIO9	9		SIO3
18	IO10	I/O/T		10	ADC1_9	GPIO10	10		CS0
19	IO11	I/O/T		11	ADC2_0	GPIO11	11		MOSI
20	IO12	I/O/T		12	ADC2_1	GPIO12	12		SCK
21	IO13	I/O/T		13	ADC2_2	GPIO13	13		MISO
22	IO14	I/O/T		14	ADC2_3	GPIO14	14		SIO2
23	IO21	I/O/T		21		GPIO21
24	IO47	I/O/T		47
25	IO48	I/O/T		48
26	IO45	I/O/T	SPI電圧選択 (プルダウン)	45
27	IO0	I/O/T	ブート選択 (プルアップ)	0		GPIO0 I2C_SCL0
28	IO35	I/O/T		35								※1
29	IO36	I/O/T		36								※1
30	IO37	I/O/T		37								※1
31	IO38	I/O/T		38
32	IO39	I/O/T		39							TCK
33	IO40	I/O/T		40							TDO
34	IO41	I/O/T		41							TDI
35	IO42	I/O/T		42							TMS
36	RXD0	I/O/T		44				U0_RXD
37	TXD0	I/O/T		43				U0_TXD
38	IO2	I/O/T		2	ADC1_1	GPIO2 I2C_SCL1	2
39	IO1	I/O/T		1	ADC1_0	GPIO1 I2C_SDA0	1
40	GND	P	GND
41	EPAD	P	GND

I:入力
O:出力
T:ハイインピーダンス
P:電源

ほとんどのペリフェラルは、GPIO Matrixを使い任意のピンに割り振れますが、低消費電力コアつまりRTCを使ってI2Cをする場合はピンが決められていますので、この点に注意が必要です。

※1 PSRAMが内蔵されたESP32 S3 R8を使う場合(menuconfigのESP PSRAMの「Support for external, SPI-connected RAM」にチェックを入れる場合)、PSRAMが内部でIO35,36,37に接続されています(R8は「SPI RAM Config」のModeが「Octal Mode PSRAM」になるため)。PSRAMを有効にする場合はこれらのピンが使えなくなります。R4は「Quad Mode PSRAM」になるため、IO35,36,37は使えます。

SPI

SPIは、SPI0 SPI1 SPI2 SPI3の4本あります。SPI0とSPI1は内部のFLASHとPSRAM用に使われますので、基本的に使えません。実質使えるのは、SPI2とSPI3の2本のみです。

内部ブロック

ブロック図からも、GPIO Matrixでピンアサインを決めると、GPIO Matrixのブロックの分パフォーマンスが落ちることが想像できるかと思います。

SPI0とSPI1

内部のFLASHとPSRAM用に使われていますが、SUBSPIとして使用できます。

CS0はフラッシュに、CS1はPSRAMに繋がってます。

SPI2(GP-SPI2/FSPI)

SPI2は別名Fast SPIと呼ばれています。なのでFSPIと言う接頭語が機能名についています。
以下が一般的なSPIの呼び名との対応になります。

機能名	一般名称	備考
FSPICLK	SCK	クロック
FSPICS0	CS0	Chip Select 出力(マスター時) 入力(スレーブ時)
FSPICS1～5	CS1～5	Chip Select 出力(マスター時)
FSPID	MOSI/SIO0	データ線0ビット目
FSPIQ	MISO/SIO1	データ線1ビット目
FSPIWP	SIO2	データ線2ビット目
FSPIHD	SIO3	データ線3ビット目
FSPIIO4～7	SIO4～7	データ線4～7ビット目
FSPIDQS		出力データマスク信号 (マスター時)

SPI2　CS0 ~ CS5

SPI3　CS0 ~ CS2

SPI2とSPI3について

通常のSPIのモードの他に、データ線を増やしたモードにも対応しています。SPI2,3の対応状況は下記の表の通りです。

モード		コマンド ビット数	アドレス ビット数	データ ビット数	SPI2	SPI3
SPI		1bit	1bit	1bit	〇	〇
Dual SPI	Dual Output Read	1bit	1bit	2bit	〇	〇
	Dual I/O Read	1bit	2bit	2bit	〇	〇
Quad SPI	Quad Output Read	1bit	1bit	4bit	〇	〇
	Quad I/O Read	1bit	4bit	4bit	〇	〇
Octal SPI	Octal Output Read	1bit	1bit	8bit	〇	×
	Octal I/O Read	1bit	8bit	8bit	〇	×
QPI		4bit	4bit	4bit	〇	〇
OPI		8bit	8bit	8bit	〇	×