ESP32

Der ESP32 ist eine kostengünstige und mit geringem Leistungsbedarf ausgeführte 32-Bit-Mikrocontrollerfamilie der chinesischen Firma Espressif, die im Jahr 2016 vorgestellt wurde.^[1] Die Mikrocontroller sind mit einfach zugänglichen freien Softwareumgebungen wie Arduino programmierbar, oder sogar vollständig ohne Programmierkenntnisse mit ESPHome. Dies ermöglicht den einfachen Aufbau und die Vernetzung von netzwerkbasierten Aktuatoren und Sensoren, und hat zu einer weiten Verbreitung der ESP32-Mikrocontroller in der Hobbyelektronik geführt. Die Bezeichnung ESP32 alleine bezieht sich entweder auf die gesamte Produktfamilie, oder ausschließlich auf den ESP32 genannten Mikrocontroller erster Generation.

ESP32-Prozessor (Bildmitte) auf einer Leiterplatte bestückt. Links die gedruckte WLAN-Antenne

Bild des ESP32-Die

Je nach Modell gibt es wesentliche Unterschiede in der Leistungsfähigkeit und Funktionalität der Mikrocontroller. Sie bestehen intern entweder aus einem oder zwei Prozessorkernen der Xtensa-Architektur von Cadence (ehemals Tensilica), oder seit 2021 auch mit RISC-V-Kernen^[2] (C-Serie und P4) und arbeiten mit einem anpassbaren Systemtakt von maximal 160 bis 360 MHz. Der interne RAM weist eine Größe von 272 bis 768 KiB RAM auf, kombiniert mit einem internen Festwertspeicher (ROM), der einen unveränderlichen Bootloader enthält.^[3] Wie der Vorgänger ESP8266 besitzen die meisten Modelle aus der Familie ESP32 keinen internen Flash-Speicher für die anwendungsspezifische Firmware. Diese wird in einem externen, seriellen Flash-Speicher abgelegt, der über dezidierte Pins an den Prozessor angeschlossen wird und durch Cache beschleunigt wird.^[4] Die meisten Modelle unterstützen Flash-Größen von 1–16 MiB und SPI-Geschwindigkeiten bis 80 MHz.

Die ESP32-Familie weist diverse Peripherieschnittstellen auf, unter anderem stehen mehrere UARTs, SPI-, CAN-, PWM- und I²C-Schnittstellen, ein RMT genanntes FSK-Modul für Infrarotschnittstellen, ein integriertes Wireless Local Area Network (WLAN nach IEEE 802.11 b/g/n), das auch Bluetooth und je nach Modell 802.15.4 (Zigbee, Thread und Matter) unterstützt, und eine Ethernet-Schnittstelle über das Media Independent Interface (MII) zur Verfügung. Als analoge Schnittstellen sind diverse Möglichkeiten vorgesehen, wie Analog-Digital-Umsetzer und Digital-Analog-Umsetzer für die Verarbeitung analoger Signale und eingebaute Sensoren, oder ein integrierter Hall-Sensor zur Messung der magnetischen Flussdichte sowie Kapazitätsmesser für Berührungssensoren. Intern besitzen die Mikrocontroller eine kryptografische Einheit zur Hardwareunterstützung von Verschlüsselungsverfahren, beispielsweise dem Advanced Encryption Standard (AES), deren Einsatz aber in bestimmten Fällen wie dem RSA-Kryptosystem und damit dem wichtigen HTTPS-Protokoll eine Verlangsamung statt einer Beschleunigung bewirkt.^[5] Weiterhin enthalten manche Modelle einen mit ca. 16–40 MHz langsamer getakteten Koprozessor mit niedrigem Stromverbrauch, der neben einer Echtzeituhr auch die Abfrage von Sensordaten im Bereitschaftsbetrieb erlaubt.

Die ESP32 sind in den Chipgehäusen Quad Flat No Leads Package (QFN) untergebracht und werden im Handel meistens auf kleinen Modulen unter Bezeichnungen wie ESP-WROOM vertrieben. Diese halbfertigen Leiterplattenmodule umfassen neben dem Prozessor und einem seriellen Flash-Speicher für die Firmware auch die WLAN-Antenne sowie eine Stromversorgung und erlauben so einfache Anwendungen, beispielsweise im Rahmen der Hobbyelektronik.^[6]

Hauptplattform für die Softwareentwicklung ist ein Software Development Kit (SDK) unter MIT-Lizenz namens ESP-IDF^[7], basierend auf FreeRTOS, welches die Programmierung in C, C++ und (inoffiziell) Rust ermöglicht. Offiziell unterstützt wird weiterhin die Softwarebibliothek esp-rs^[8] für die Entwicklung in Rust. Von anderen Entwicklern werden weiterhin verschiedene Entwicklungsplattformen zur Verfügung gestellt, einschließlich Arduino (C++), MicroPython (Python), NodeMCU und Lua RTOS^[9] (beide Lua) oder ESPHome^[10].

Modellvergleich

Modell	Prozessortyp	max. Takt	RAM	ROM	Cache	max. Flash-Größe	Koprozessor	GPIOs	Besonderheiten
ESP32 (Original)	1–2x Xtensa LX6	240 MHz	520 KiB	448 KiB	64 KiB (2x32)	8 MiB	ja	34	I2S-Schnittstelle
ESP32-H2	1x RISC-V	96 MHz	320 KiB	128 KiB	16 KiB	4 MiB	nein	19	802.15.4
ESP32-C3	1x RISC-V	160 MHz	400 KiB	384 KiB	16 KiB	16 MiB	nein	22
ESP32-C5	1x RISC-V	240 MHz	384 KiB	320 KiB	32 KiB	32 MiB	ja	29	802.15.4
ESP32-C6	1x RISC-V	160 MHz	512 KiB	320 KiB	32 KiB	16 MiB	ja	31	802.15.4
ESP32-S2	1x Xtensa LX7	240 MHz	240 KiB	128 KiB	16 KiB	1 GiB (10,5 MiB gleichzeitig)	ja	43	USB, Kamera- und LCD-Schnittstellen
ESP32-S3	2x Xtensa LX7	240 MHz	512 KiB	384 KiB	32 KiB I, 64 KiB D	1 GiB (32 MiB gleichzeitig)	ja	45	USB, Kamera- und LCD-Schnittstellen
ESP32-P4	2x RISC-V	360 MHz	768 KiB	128 KiB	16 KiB L1I, 64 KiB L1D, max. 512 KiB L2	64 MiB	ja	55	JPEG und H.264-Hardwarecodecs, MIPI- und LCD-Schnittstellen

Galerie

• 
  Originaler ESP32
• 
  Modul ESP32-WROOM-32
• 
  ESP32-C6 Entwicklungsboard
• 
  ESP32-C3 Entwicklungsboard
• 
  ESP32-P4

Literatur

• Udo Brandes: Mikrocontroller ESP32 – Das umfassende Handbuch. Rheinwerk 2024, ISBN 978-3-367-10284-6

Weblinks

Commons: ESP32 – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien