ESP32 بی‌گمان یکی از محبوب‌ترین ابزارهای من برای پروژه‌های دست‌ساز است. هر وقت پروژه‌ای باید داده‌های حسگری را بخواند، رله‌ای را به کار بیندازد، LEDها را چشمک‌زن کند یا حتی با Wi-Fi حضور افراد را تشخیص دهد، بی‌آنکه هزینه زیادی روی دستم بگذارد، سراغ همین برد می‌روم. سادگی و خوش‌دستی آن برای تازه‌کارها عامل اصلی محبوبیتش بوده، اما همین ویژگی توانایی‌هایش را نیز محدود کرده است.
ESP32-S31، به‌روزرسانی سخت‌افزاری بزرگ بعدی ESP32، هویت سازنده‌پسند این خانواده را کنار نمی‌گذارد، اما تعریف میکروکنترلر را گسترش می‌دهد. تراشه تازه Espressif یک پردازنده دو‌هسته‌ای RISC-V با فرکانس ۳۲۰ MHz را با Wi-Fi ۶، بلوتوث ۵.۴، رادیوی ۸۰۲.۱۵.۴ و کنترل‌کننده MAC اترنت گیگابیتی درهم می‌آمیزد.
ESP32 سرانجام مغز تازه‌ای گرفت؛ آن هم نه یک ارتقای جزئی
دو هسته ۳۲۰ MHz، فناوری SIMD و حافظه‌ای که دیگر کم نمی‌آید
با این مشخصات تازه، ESP32-S31 بیش از آنکه به یک میکروکنترلر سنتی شبیه باشد، به پردازنده‌ای جمع‌وجور برای شبکه می‌ماند. در قلب آن دو هسته پرتوان ۳۲بیتی RISC-V با فرکانس حداکثر ۳۲۰ MHz جای گرفته‌اند و یک هسته کم‌مصرف و جداگانه RISC-V با فرکانس ۴۰ MHz نیز کارهای پس‌زمینه و فعالیت در حالت خواب را بر عهده دارد. یکی از هسته‌های پرتوان به مسیر داده ۱۲۸بیتی و دستورهای SIMD نیز مجهز است تا بتواند برای پردازش سیگنال، استنتاج یادگیری ماشینی و بارهای کاری مشابه، چندین مقدار را به‌طور هم‌زمان پردازش کند.
این تراشه ۵۱۲ KB حافظه SRAM پرسرعت، ۳۲ KB حافظه SRAM کم‌مصرف و ۳۲۰ KB حافظه ROM دارد. نسخه‌های اولیه ESP32-S31NRV16 و S31NRV32 نیز به‌ترتیب ۱۶ MB و ۳۲ MB حافظه PSRAM هشت‌کاناله را در کنار دای تراشه جای داده‌اند و امکان دسترسی هم‌زمان به حافظه فلش و PSRAM را فراهم می‌کنند.
به این ترتیب، رابط‌های گرافیکی، بافرهای صوتی، قابلیت‌های شبکه و مدل‌های کوچک یادگیری ماشینی که در حالت عادی از گنجایش SRAM داخلی فراتر می‌روند، می‌توانند روی خود تراشه اجرا شوند. هر دو گونه از بسته‌بندی ۸ در ۸ mm از نوع QFN80 بهره می‌برند و ۶۰ پایه برنامه‌پذیر GPIO در اختیار می‌گذارند.
| مدل ESP32 | مدل ESP32-S3 | مدل ESP32-S31 | |
|---|---|---|---|
| پردازنده مرکزی | معماری Xtensa LX6، با ۱ تا ۲ هسته و فرکانس ۲۴۰ MHz | دو هسته Xtensa LX7 با فرکانس ۲۴۰ MHz | دو هسته RISC-V با فرکانس ۳۲۰ MHz |
| حافظه SRAM | 520 KB | 512 KB | 512 KB |
| شبکه Wi-Fi | نسخه Wi-Fi ۴ | نسخه Wi-Fi ۴ | نسخه Wi-Fi ۶ |
| ارتباط بلوتوث | نسخه ۴.۲، کلاسیک + کم‌مصرف LE | نسخه ۵، فقط کم‌مصرف LE | نسخه ۵.۴، کم‌مصرف LE + کلاسیک |
| پروتکل ترد / زیگبی | پشتیبانی نمی‌شود | پشتیبانی نمی‌شود | پشتیبانی می‌شود |
| اتصال اترنت | کنترل‌کننده MAC اترنت ۱۰/۱۰۰ | در دسترس نیست | کنترل‌کننده MAC گیگابیتی |
| درگاه USB | در دسترس نیست | حالت OTG با سرعت کامل | حالت OTG با سرعت بالا |
| پایه‌های GPIO | 34 | 45 | 60 |
Wi-Fi ۶ در S31 برای ازدحام اینترنت اشیا است، نه فخرفروشی
فقط باند ۲.۴ GHz، کانال‌های ۲۰ MHz و بدون راهی به مهمانی ۶ GHz
Wi-Fi ۶ مهم‌ترین بهبود ارتباط بی‌سیم است، اما یک محدودیت دارد. رادیوی تک‌فرستنده و تک‌گیرنده فقط در باند ۲٫۴ گیگاهرتز کار می‌کند و از باندهای ۵ یا ۶ گیگاهرتز پشتیبانی نمی‌کند. عملکرد ۸۰۲.11ax آن نیز در حالت غیرنقطه‌دسترسی به کانال‌های ۲۰ مگاهرتزی محدود است؛ درحالی‌که ۸۰۲.11n سازگار با نسل‌های پیشین می‌تواند از کانال‌های ۲۰ یا ۴۰ مگاهرتزی استفاده کند و طبق اعلام سازنده، به بیشینه سرعت ۱۵۰ مگابیت‌برثانیه برسد.
همان‌طور که می‌توان حدس زد، این Wi-Fi ۶ برای دستیابی به سرعتی در حد لپ‌تاپ‌ها نیست؛ بلکه برای شبکه‌های شلوغ اینترنت اشیا طراحی شده است. OFDMA، فناوری MU-MIMO در مسیر بارگیری و Target Wake Time می‌توانند هنگام اتصال چندین دستگاه کوچک به یک نقطه دسترسی، بهره‌وری زمان ارسال و زمان‌بندی مصرف انرژی را بهبود دهند.
بخش رادیویی همچنین از Bluetooth ۵.۴، LE Audio، Bluetooth Mesh ۱.۱ و Bluetooth Classic پشتیبانی می‌کند و سازگاری با طراحی‌های قدیمی‌تر تجهیزات صوتی و لوازم جانبی را حفظ می‌کند. استاندارد IEEE ۸۰۲.۱۵.۴ نیز پشتیبانی از Zigbee ۳.۰ و Thread ۱.۴ را می‌افزاید، درحالی‌که Matter می‌تواند روی Wi-Fi یا Thread کار کند. این ترکیب، S31 را به گزینه‌ای بسیار مناسب برای هاب‌های خانه هوشمند و پل‌های چندپروتکلی تبدیل می‌کند.
اترنت گیگابیتی واقعی است، اما PHY را باید خودتان فراهم کنید
تراشه MAC را دارد؛ مدار مغناطیسی و شکیبایی با شماست
بهبود بزرگ دیگر، اترنت ۱ گیگابیت‌برثانیه‌ای است. دقیق‌تر بگوییم، S31 یک کنترل‌گر دسترسی به رسانه اترنت را در خود جای داده است، نه رابط فیزیکی کامل را. یک طراحی نهایی همچنان به PHY خارجی اترنت، قطعات مغناطیسی و کانکتور نیاز دارد. برد Function-CoreBoard-۱ شرکت Espressif این چینش را با یک PHY جداگانه متصل از راه RGMII، ترانسفورماتور اترنت و درگاه RJ45 با قابلیت مذاکره خودکار در سرعت‌های ۱۰، ۱۰۰ و ۱۰۰۰ مگابیت‌برثانیه نشان می‌دهد.
این تفاوت برای هزینه برد و برنامه‌ریزی پایه‌ها اهمیت دارد. RGMII گیگابیتی به مجموعه‌ای اختصاصی از پایه‌های پرسرعت متکی است، بنابراین بهتر است چیدمان برد از همان ابتدا برنامه‌ریزی شود. اگر سرعت ۱۰۰ مگابیت‌برثانیه کافی باشد، طراحان می‌توانند به‌جای آن از RMII استفاده کنند. کنترل‌گر اترنت همچنین از ثبت زمانی سخت‌افزاری برای همگام‌سازی IEEE ۱۵۸۸ پشتیبانی می‌کند؛ قابلیتی که این تراشه را برای سامانه‌های صنعتی و اندازه‌گیری همگام سودمند می‌سازد.
دوربین‌ها، نمایشگرها و امنیت
USB پرسرعت، پردازش سخت‌افزاری JPEG و رمزنگاری جدی
شبکه‌سازی تنها بخشی از این به‌روزرسانی است. S31 مجموعه‌ای شامل USB ۲.۰ High-Speed OTG، USB Serial/JTAG، CAN FD، SD/MMC، دو رابط I2S، چندین کنترل‌گر SPI، I2C و UART، PWM ویژه کنترل موتور، مبدل‌های ADC و DAC و حسگر لمسی را در خود جای داده است. USB OTG با سرعتی تا ۴۸۰ مگابیت‌برثانیه کار می‌کند و اتصالی با پهنای باند بالا برای دوربین‌ها، فضای ذخیره‌سازی، سخت‌افزارهای صوتی و دیگر تجهیزات جانبی در اختیار طراحان می‌گذارد.
این تراشه می‌تواند به دوربین‌های DVP هشت یا شانزده‌بیتی و نمایشگرهای موازی با رنگ RGB تا ۲۴ بیت متصل شود. کُدک سخت‌افزاری JPEG، شتاب‌دهنده پردازش پیکسل و موتور DMA دوبعدی، کارهای رایج تصویربرداری و نمایش را بی‌آنکه تمام زمان پردازنده را مصرف کنند، انجام می‌دهند. این قابلیت‌ها بیش از کلیدهای متصل ساده، کاربردهایی مانند نمایشگرهای هوشمند، زنگ‌های در ویدئویی، رابط‌های صوتی، پنل‌های صنعتی و حسگرهای هوش مصنوعی لبه را هدف گرفته‌اند.
اما توان بیشتر، مسئولیت بیشتری هم به همراه دارد؛ ازاین‌رو امنیت S31 نیز تقویت شده است. این تراشه از راه‌اندازی امن، رمزگذاری حافظه‌های فلش و PSRAM، مولد اعداد تصادفی واقعی، مدیریت کلید، آشکارساز اختلال تغذیه، اجرای مورد اعتماد و شتاب‌دهنده‌های AES، SHA، RSA، ECC، HMAC و امضای دیجیتال بهره می‌برد.
یک تراشه، کار سه تراشه را انجام می‌دهد و هنوز LED را چشمک‌زن می‌کند
یکپارچه‌سازی، بهبود اصلی است؛ LED فقط یادگاری نوستالژیک است
دستاورد واقعی S31 یکپارچه‌سازی است. کارهایی که پیش‌تر به یک ESP32، میزبان مجهز به اترنت و رادیوهای اضافی نیاز داشتند، اکنون می‌توانند روی یک سکوی واحد اجرا شوند. Espressif پشتیبانی نرم‌افزاری آن را از راه ESP-IDF فراهم می‌کند و ESP-Matter، ESP-GMF و ESP-BLE-AUDIO دامنه کاربردش را به خانه هوشمند و چندرسانه‌ای گسترش می‌دهند.
البته این تراشه هنوز هم می‌تواند یک LED را چشمک‌زن کند و برد توسعه Espressif اکنون حتی یک LED رنگی RGB با قابلیت آدرس‌دهی جداگانه دارد. بااین‌حال، حضور پروتکل‌های بی‌سیم امروزی، شبکه سیمی گیگابیتی، شتاب‌دهی چندرسانه‌ای و سخت‌افزار امنیتی قدرتمند در کنار همان GPIOهای آشنا نشان می‌دهد که ریزکنترل‌گر متصل و فروتن ESP32-S31 تا چه اندازه پیشرفت کرده است.
منبع: این مطلب ترجمه و بومی‌سازی مقاله‌ای از MakeUseOf به قلم Yadullah Abidi است. مشاهده مقاله اصلی