Nowy układ Espressif ESP32-S2 - następca ESP8266?

W sierpniu 2014 Espressif (wówczas nieznana chińska firma) wydał układ ESP8266. Miał być on używany przede wszystkim jako mostek Wi-Fi dla innych mikrokontrolerów, dopóki ktoś nie zauważył, że ma znacznie większą moc przetwarzania i pamięć niż te mikrokontrolery. W listopadzie 2014 Ivan Grokhotkov (obecnie pracujący dla Espressif) wydał pierwszy projekt Arduino HAL dla ESP8266. ESP8266 osiągnął znaczny sukces na rynku pomimo swoich wielu ograniczeń, który doprowadził jednocześnie do problemu, jakim jest bezpieczeństwo przetwarzania danych przez ten układ. Setki, jeśli nie tysiące różnych urządzeń domowych, od inteligentnych przełączników, inteligentnych żarówek po sterowniki LED czy nawadniania ogrodów, stacje pogody wykorzystują ESP8266. W wielu z tych urządzeń zainstalowane jest oprogramowanie bazujące na Arduino HAL takie, jak Tasmota, ESPurna, ESPEasy, Blynk. Niestety ESP8266 nie zapewnia żadnych środków do zabezpieczenia kodu lub przechowywanych danych. Każdy, kto ma fizyczny dostęp do układu ESP8266 w urządzeniu, może odczytać bardziej wrażliwe informacje takie, jak np. dane uwierzytelniające Wi-Fi.

W marcu 2019 wyciekły niektóre zdjęcia nowego układu o nazwie „Chip7 2-2-A”. Od tego czasu pojawiły się spekulacje dotyczące specyfikacji i możliwości nowego układu, które zostały ucięte we wrześniu 2019, kiedy Espressif ogłosił wydanie ESP32-S2. Niestety, aż do końca lutego 2020 nowe układy praktycznie dostępne były tylko dla deweloperów oraz w postaci tzw. prototypowych modułów deweloperskich. Główny powodem był brak wsparcia nowego układu w stabilnej wersji SDK – IDF (IoT Development Framework). Opóźnienie w wydaniu nowej wersji IDF, jak i samego ESP32-S2 było w dużej mierze spowodowane sytuacją kryzysową w Chinach wywołaną epidemią koronawirusa. W dniu 28.02.2020 Espressif ogłosił, że układ ESP32-S2 SoC oraz powiązane z nim moduły (ESP32-S2-WROVER, ESP32-S2-WROOM) i płyta rozwojowa (ESP32-S2-Saola-1) weszły do masowej produkcji. Pełne wsparcie dla ESP32-S2 w IDF jest od wersji 4.2, wcześniej w wersji 4.0 pojawiło już się wsparcie dla ESP32-S2, ale jako testowe (beta).

Układ ESP32-S2 jest wyposażony w 32-bitowy procesor 240 MHz XTensa® LX7 z 320 KB SRAM i 128 KB ROM, a także koprocesor ULP (ultra-low-power processor) oparty na architekturze RISC-V. Dzięki jednordzeniowemu procesorowi ESP32-S2 ma niższe zużycie energii niż ESP32, zachowując jednocześnie bardzo dobre możliwości przetwarzania. ESP32-S2 przejął architekturę konstrukcji MCU z Wi-Fi od ESP32, ma bardzo dobrą wydajność Wi-Fi, obsługuje protokoły IEEE 802.11 b/g/n HT20/HT40 2,4 GHz. Dzięki zintegrowanemu rdzeniu Xtensa 240 MHz ESP32-S2 jest wystarczający do budowy najbardziej wymagających urządzeń IoT bez konieczności stosowania dodatkowych zewnętrznych MCU.

Jedną z wyróżniających cech nowego układu jest koprocesor ULP oparty na architekturze RISC-V, o niskim zużyciu energii i większej mocy obliczeniowej w porównaniu do ULP w ESP32. ULP to procesor o bardzo niskim poborze mocy, który pozostaje włączony, gdy reszta układu znajduje się w trybie głębokiego uśpienia (deep-sleep). Użytkownicy mogą przechowywać program w pamięci RTC koprocesora ULP w celu uzyskania dostępu do urządzeń peryferyjnych, wewnętrznych czujników i rejestrów RTC podczas głębokiego uśpienia. ESP32-S2 ma dwa koprocesory ULP, jeden oparty na architekturze RISC-V (ULP-RISCV), drugi na automacie skończonym (finite state machine, ULP-FSM), jak w ESP32. Użytkownicy mogą wybierać między dwoma koprocesorami w zależności od potrzeb – jednak ULP-FSM i ULP-RISCV nie mogą być używane jednocześnie.

ESP32-S2 wspiera różnorodne mechanizmy bezpieczeństwa dla urządzeń IoT, zapewniając ochronę zarówno szyfrowania lokalnego, jak i w chmurze:
- Bezpieczny rozruch układu oparty jest na algorytmie RSA, który zapewnia, że tylko zaufane oprogramowanie będzie uruchamiane i wykonywane.
- Szyfrowanie pamięci Flash oparte jest na algorytmie AES-XTS (256 lub 512 bitów, zgodny z IEEE Std 1619-2007), który zapewnia bezpieczeństwo danych wrażliwych użytkownika oraz danych konfiguracyjnych; kod programu w zewnętrznej pamięci Flash i PSRAM w ESP32-S2 jest również zawsze szyfrowany.
- Protokół TLS może wykorzystywać wbudowany akcelerator kryptograficzny, aby poprawić wydajność łączności np. w chmurze.
- Bezpieczeństwo samego układu zostało szczególnie wzmocnione. Jest ono odporne na ataki polegające na wstrzykiwaniu błędów przez sprzęt i oprogramowanie, a także zapobiega wyciekowi kluczy w przypadku awarii napięcia lub fizycznemu atakowi lokalnemu.

W ESP32-S2 dodano także funkcję określania odległości i względnego położenia jednego urządzenia klienckiego WiFi względem punktów dostępu ToF (Time of Flight), aby poprawić dokładność i stabilność zasięgu bezprzewodowego. Nowością jest też obsługa protokołu TWAI (Two-Wire Automobile Interface), który jest typu multi-master oraz multi-cast z wykrywaniem i sygnalizacją błędów, przeznaczony głównie do zastosowania w przemyśle motoryzacyjnym i automatyce budynkowej.

SDK dla ESP32-S2 zawiera narzędzia do implementacji protokołu bezpiecznej konfiguracji hasła (protocomm) oraz biblioteki wspomagające uaktualnienie oprogramowania OTA (Over the Air Technology), które pomagają w szybkim i bezpiecznym aktualizowaniu oprogramowania układowego przez sieć Wi-Fi, podobnie jak ma to miejsce w układzie ESP32.

Porównanie ESP8266 vs. ESP32 vs. ESP32-S2

	ESP8266	ESP32	ESP32-S2
MCU	Xtensa single-core 32-bit L106	Xtensa single/dual-core 32-bit LX6	Xtensa single-core 32-bit LX7
Częstotliwość zegara	80/160 MHz	160/240 MHz	240 MHz
Koprocesor	brak	ULP (FSM)	ULP (RISC-V, FSM)
SRAM	160 KB	520 KB	320 KB
Pamięć RTC	brak	16 KB	16 KB
Pamięć zewn. Flash	do 16 MB	do 16 MB	do 1 GB
Bluetooth	brak	BT 4.2 BR/EDR & BLE	brak
Ethernet	brak	10/100 Mbps	brak
CAN	brak	2.0	brak
Time of Flight	brak	brak	TAK
Liczba GPIO	16	34	43
Czujniki dotykowe	brak	10	14
SPI	2	4	4
I2C	1 (programowy)	2	2
I2S	2	2	1
UART	1½	3	2
ADC	1 (10-bit)	18 (12-bit)	20 (12-bit)
DAC	brak	2 (8-bit)	2 (8-bit)
PWM	8	16	8
SDMMC	brak	TAK	brak
RMT	brak	TAK	TAK
USB OTG	brak	brak	TAK (1.1)
Interfejs LCD	brak	brak	TAK (8-bit serial RGB/8080/68000, 8/16/24-bit parallel)
Interfejs kamery	brak	brak	TAK (DVP 8/16)
Wbudowany czujnik temperatury	brak	TAK	TAK
Wbudowany czujnik Halla	brak	TAK	brak
Mechanizmy bezpieczeństwa	brak	Secure boot Flash encryption 1024-bit OTP	Secure boot Flash encryption 4096-bit OTP
Wsparcie sprzętowe dla funkcji kryptograficznych	brak	AES, SHA-2, RSA, ECC, RNG	AES-128/192/256, SHA-2, RSA, RNG, HMAC, Digital Signature
Tryb niskiego zużycia energii	20uA	10uA deep-sleep	Automatic RF power management 5uA in idle mode, 24uA at 1% duty cycle

Jak wcześniej wspomniałem, Espressif ogłosił również dostępność płytki rozwojowej ESP32-S2-Saola-1 z układem ESP32-S2. Opis tej płytki znajduje się w tym artykule, nie będę więc powielał tych informacji. Dostępna będzie jeszcze kolejna płytka o nazwie ESP32-S2-Kaluga-1 (zdjęcie obok), określana przez Espressif jako „multimedialna”, wyposażona w wyświetlacz LCD z ekranem dotykowym, układem akwizycji obrazu z kamery oraz układem odtwarzania audio. Panel dotykowy ESP32-S2-Kaluga-1 ma być pyłoszczelny i wodoodporny o niskim współczynnik fałszywego dotyku (low false-touch rate). Nie jest jeszcze dostępna szczegółowa specyfikacja tej płytki.

Entuzjaści Arduino na razie nie będą mogli skorzystać z układu ESP32-S2. Ostatnia wersja Arduino HAL dla ESP32 (1.0.4) oparta jest na ESP-IDF w wersji 3.2. Trzeba więc będzie trochę poczekać, ale w kodzie źródłowym HAL wnoszone są już stosowne poprawki od ok. 2 miesięcy. Z punktu widzenia użytkownika Arduino HAL niewiele się zmieni, nadal będą dostępne te same klasy i API, co w wypadku ESP32 z wyłączeniem nieobecnych interfejsów sprzętowych w ESP32-S2. Nie powinno być więc problemów z przeniesieniem programów z ESP32 na ESP32-S2.

Komplet ostatniej wersji dokumentacji dla układu ESP32-S2 znajduje się pod adresem:
https://docs.espressif.com/projects/esp-idf/en/latest/esp32s2/get-started/index.html

Koszt modułów z ESP32-S2 przy zakupach jednostkowych wynoszą: ESP32-S2-WROOM ok. 2$, ESP32-S2-WROVER ok. 2.5$.

Podsumowując, w nowym układzie ESP32-S2 Espressif próbuje wypełnić lukę pomiędzy ESP8266 a ESP32, zarówno pod względem funkcjonalności, jak i ceny. Z całą pewnością ESP32-S2 nie jest „zabójcą” dla ESP32, a raczej godnym następcą ESP8266.

Fajny artykuł. Drobna poprawka - ESP8266 ma 80/160 MHz.
Mam też pytanie - rozumiem, że wgrywanie czegoś do pamięci Flash (w przyszłości w Arduino) zawsze spowoduje, że będzie to zaszyfrowane?

krzbor napisał:

Drobna poprawka - ESP8266 ma 80/160 MHz.

Faktycznie, poprawiłem, dziękuję.

krzbor napisał:

że wgrywanie czegoś do pamięci Flash (w przyszłości w Arduino) zawsze spowoduje, że będzie to zaszyfrowane?

Tak, pytanie jest tylko, czy i w jaki sposób będzie wspierane generowanie klucza szyfrującego ze strony Arduino. Jeżeli taki klucz nie zostanie wygenerowany, to wtedy nie ma mowy o szyfrowaniu zawartości flash. W tej chwili tak się dzieje w ESP32, Arduino HAL wykorzystuje "development mode", czyli bez szyfrowania flash - flaga CONFIG_FLASH_ENCRYPTION_ENABLED w sdkconfig nie jest ustawiona.

To juz mozna jakiegos sensownego linuxa postawic na 1 GB flashu.

W kwestii ADC. Przecież nie jest ich 20 tylko pewnie jeden i multiplekser. Pytanie czy jakiś sample and hold lub coś w tym stylu? No i najważniejsze: częstotliwość próbkowania?
Kolejna kwestia jaki rodzaj flash jest obsługiwany? W esp32 pewnie NOR, a w S2 NAND, a obie przez SPI ?

Artykuł bardzo dobry i potrzebny. Zwraca też uwagę na bezsensowność traktowania mocnego procesora tylko jako interfejs WiFi do 8bit capka... Jednak bez dostępnych i solidnych bibliotek obsługi sprzętu będzie trwała ta chora sytuacja.

Szkoda, że zrezygnowano z bluetooth. Plusem jest sprzętowa obsługa LCD i kamery, jak również USB OTG. Ja widzę to w zastosowaniu w panelach reklamowych, podłączony duży wyświetlacz, pendrive z reklamami.

jack63 napisał:

W kwestii ADC. Przecież nie jest ich 20 tylko pewnie jeden i multiplekser. Pytanie czy jakiś sample and hold lub coś w tym stylu? No i najważniejsze: częstotliwość próbkowania?

Dwa kontrolery ADC, każdy z nich multipleksuje 10 kanałów. Różnią się częstotliwością próbkowania: ten w ULP ma 200ksps, drugi 2 Msps

jack63 napisał:

Kolejna kwestia jaki rodzaj flash jest obsługiwany? W esp32 pewnie NOR, a w S2 NAND, a obie przez SPI ?

SPI, zarówno w ESP32, jak i w ESP32-S2.

szymon122 napisał:

Ja widzę to w zastosowaniu w panelach reklamowych, podłączony duży wyświetlacz, pendrive z reklamami.

Albo coś takiego? To jeszcze na ESP32
https://twitter.com/yves28077967/status/1212011143096606721

bremenpl napisał:

To juz mozna jakiegos sensownego linuxa postawic na 1 GB flashu.

Nie wiem, na ile można wierzyć informacji z poniższego linku, ale ktoś bootował linuxa na ESP32
https://www.reddit.com/r/esp32/comments/dtlj7n/booting_linux_on_esp32_realtime_video/

bremenpl napisał:

To juz mozna jakiegos sensownego linuxa postawic na 1 GB flashu.

Tu się mocno mylisz. Nie chodzi o flash, tylko o RAM.
Z resztą linuksy, choćby OpeWrt, stoją od lat na dość ubogich sprzętach jak routery. Jednak tam proporcje RAM/Flash były 4:1, a obecnie 1:1. Niestety nowe jajka są dużo cięższe.
Poza tym chyba nie o to chodzi aby na bazie opisywanego procesora robić desktopa. Opisywany główny cel to IoT.

jack63 napisał:

Tu się mocno mylisz. Nie chodzi o flash, tylko o RAM.

Nie wspomniałem o tym w artykule, ale zgodnie z dokumentacją ESP32-S2:

"The CPU accesses the external flash and RAM via the cache. According to the MMU settings, the cache maps the CPU’s address to the external physical memory address. Due to this address mapping, the ESP32-S2 can address up to 1 GB external flash and 1 GB external RAM."

Zewnętrzna duża RAM będzie wolna (połączenie po SPI). Też nie widzę sensu uruchamiania linuxa na ESP, skoro jest do dyspozycji już RTOS dostarczany przez producenta, który moim zdaniem zdecydowanie lepiej nadaje się do urządzeń IoT.

khoam napisał:

Każdy, kto ma fizyczny dostęp do układu ESP8266 w urządzeniu, może odczytać bardziej wrażliwe informacje takie, jak np. dane uwierzytelniające Wi-Fi.

Niekoniecznie trzeba mieć dostęp fizyczny. Dla ESPEasy praktycznie nikt nie zmienia hasła domyślnego dla trybu AP bo i po co jak tryb AP jest potrzebny tylko na początku do wprowadzenia ustawień. A wystarczy wiedzieć, że ktoś maESPEasy, zakłócić sygnał WiFi (do tego są też gotowce na ESP) i połączyć się z ESPEasy który przejdzie do trybu AP i w pliku konfiguracyjnym mamy jak byk zapisane hasło do WiFi
Sprawdzone w praktyce.

@Piotrek_I To nie jest podatność układu ESP8266, ale niefrasobliwość użytkownika. W zasadzie, to może się zdarzyć w każdym urządzeniu WiFi pracującym w trybie AP, gdzie użytkownik nie zmienia domyślnego, "fabrycznego" hasła. Inna sprawą jest to, że chyba ESPEasy nie umożliwia chyba zmiany hasła dla trybu AP?

Umożliwia

Pozdr

Slawek K. napisał:

Umożliwia

A gdzie zapisuje to hasło?

Do AP to "configesp" i widać go po zalogowaniu poprzez www w setupie. A zapisane jest zapewne w SPIFFS.
https://www.letscontrolit.com/wiki/index.php/EasySetup

Pozdr

Akurat ESP Easy mozesz sobie zbudwac soft z jakims innym domyslnym haslem:

uzi18 napisał:

Akurat ESP Easy mozesz sobie zbudwac soft z jakims innym domyslnym haslem

To nie jest dobra metoda, ponieważ wymaga re-kompilacji i ponownego załadowania kodu po wystąpieniu konieczności zmiany tego hasła - szczególnie, kiedy mamy do czynienia z wieloma ESP z tym samym firmware. Lepiej jest przechowywać takie hasło w postaci zaszyfrowanej w SPIFFS, czego ESPEasy nie robi.

Dzisiaj ukazała się informacja o nowej płytce ESP32-S2-DevKit-Lipo, producentem jest Olimex. Na uwagę zasługuje fakt, że wg producenta pobór prądu tej płytki w trybie deep-sleep wynosi zaledwie 6µA.
https://olimex.wordpress.com/2020/05/18/new-o...ernal-record-for-esp32-low-power-consumption/

Dostępne są dwie kolejne płytki rozwojowe z ESP32-S2:

Cucumber ESP32-S2
https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3699485.html
oraz
TTGO ESP32-S2
https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3699609.html