ESP32-S2系列芯片技术规格书

ESP32-S2系列芯片技术规格书 ESP32-S2FH2 ESP32-S2FH4 ESP32-S2FN4R2 ESP32-S2R2

包括： ESP32-S2 ESP32-S2FH2 ESP32-S2FH4 ESP32-S2FN4R2 ESP32-S2R2

ESP32-S2 系列是高集成度的低功耗 Wi-Fi 系统级芯 片 (SoC)、专为物联网 (IoT)、移动设备、可穿戴电子设 备、智能家居等各种应用而设计，具有行业的低功耗性能和射频性能。 芯片包括一个功能完备的 Wi-Fi 子系统，符合 IEEE 802.11b/g/n 协议。Wi-Fi 子系统集成了 Wi-Fi MAC、 Wi-Fi 射频和基带、天线开关、射频 Balun、功率放大 器、低噪声放大器等，提供了一个完整的 Wi-Fi 解决 方案。 ESP32-S2 系列芯片搭载 Xtensa® 32 位 LX7 单核处 理器，工作频率高达 240 MHz。芯片支持二次开发，无 需使用其他微控制器或处理器。 该系列芯片带有 320 KB SRAM，128 KB ROM，可通 过 SPI/QSPI/OSPI 接口外接 flash 和片外 RAM。 ESP32-S2 系列芯片支持多种低功耗工作状态，能够满足各种应用场景的功耗需求。芯片所特有的精细时 钟门控、动态电压时钟频率调节、可调节的射频功率 放大器的输出功率等特性，可以实现通信距离、数据 率和功耗之间的佳平衡。 ESP32-S2 系列芯片提供丰富的外设接口，包括 SPI， I2S，UART，I2C，LED PWM，LCD 接口，Camera 接 口，ADC，DAC，触摸传感器，温度传感器和多达 43 个 GPIO。此外，该系列芯片还包括一个全速 USB OnThe-Go (OTG) 接口，可以支持使用 USB 通信。 ESP32-S2 系列芯片具有多种特有的硬件安全机制。 硬件加密加速器支持 AES、SHA 和 RSA 算法。RNG、 HMAC 和数字签名 (Digital Signature) 模块提供了更多 安全性能。其他安全特性还包括 flash 加密和安全启 动 (secure boot) 签名验证等。完善的安全机制使芯片 能够满足严格的安全要求。

功能框图

图 1: 功能框图

产品特性
Wi-Fi 
• 支持 IEEE 802.11 b/g/n 协议
• 在 2.4 GHz 频带支持 20 MHz 和 40 MHz 频宽
• 支持单频 1T1R 模式，数据速率高达 150 Mbps 
• 无线多媒体 (WMM) 
• 帧聚合 (TX/RX A-MPDU, RX A-MSDU) 
• 立即块确认 (Immediate Block ACK) 
• 分片和重组 (Fragmentation & defragmentation)

• Beacon 自动监测（硬件 TSF） 
• 4 × 虚拟 Wi-Fi 接口 
• 同时支持基础结构型网络 (Infrastructure BSS) Station 模式/SoftAP 模式/混杂模式 请注意 ESP32-S2 系列芯片在 Station 模式下扫 描时，SoftAP 信道会同时改变 
• 天线分集 
• 802.11mc FTM

CPU 和存储

• Xtensa® 32 位 LX7 单核处理器，主频高达 240 MHz 
• 128 KB ROM 
• 320 KB SRAM
• 16 KB RTC SRAM 
• 嵌入式 flash 和 PSRAM （不同型号有差异，详 见章节 1：产品型号对比） 
• SPI/QSPI/OSPI 接口外接多个 flash 和片外 RAM

高级外设接口和传感器

• 43 × GPIO 口 
• 2 × 13 位 SAR ADC，多达 20 个通道 
• 2 × 8 位 D/A 转换器 
• 14 × 电容式传感 GPIO 
• 4 × SPI 
• 1 × I2S 
• 2 × I2C 
• 2 × UART 
• RMT (TX/RX) 
• LED PWM 控制器，多达 8 个通道
• 1 × 全速 USB OTG 
• 1 × 温度传感器 
• 1 × DVP 8/16 camera 接口，与 I2S 共用一套硬 件资源 
• 1 × LCD 接口（8 位串口 RGB/8080/6800），与 SPI2 共用一套硬件资源 
• 1 × LCD 接口（8/16/24 位并口），与 I2S 共用 一套硬件资源 
• 1 × TWAI® 控制器，兼容 ISO11898-1（CAN 规 范 2.0）

低功耗管理

• 电源管理单元 
• 超低功耗协处理器 (ULP)：
– ULP-RISC-V 协处理器
– ULP-FSM 协处理器

安全机制

• 安全启动 
• Flash 加密
• 4096 位 OTP，用户可用的高达 1792 位 
• 加密硬件加速器： 
– AES-128/192/256 (FIPS PUB 197) 
– Hash (FIPS PUB 180-4)
– RSA 
– 随机数生成器 (RNG) 
– HMAC 
– 数字签名

应用（部分举例）

• 通用低功耗 IoT 传感器 Hub 
• 通用低功耗 IoT 数据记录器 
• 摄像头视频流传输 
• OTT 电视盒/机顶盒设备 
• USB 设备 
• 语音识别 
• 图像识别 
• Mesh 网络 
• 家庭自动化 
– 智能照明 
– 智能插座 
– 智能门锁 
• 智慧楼宇 
– 照明控制 
– 能耗监测 
• 工业自动化 
– 工业无线控制 
– 工业机器人 
• 智慧农业 
– 智能温室大棚 
– 智能灌溉 
– 农业机器人

• 音频设备 
– 网络音乐播放器 
– 音频流媒体设备 
– 网络广播 
• 健康/医疗/看护 
– 健康监测 
– 婴儿监控器 
• Wi-Fi 玩具 
– 遥控玩具 
– 距离感应玩具 
– 早教机 
• 可穿戴电子产品 
– 智能手表 
– 智能手环 
• 零售 & 餐饮 
– POS 系统 
– 服务机器人 
• 触摸感应交互 
– 防水功能 
– 距离感应 
– 滑条、滚轮设计

1.产品型号对比
1.1ESP32-S2 系列芯片命名

图 2: ESP32-S2 系列芯片命名

1.2ESP32-S2 系列芯片对比
表 1: ESP32-S2 系列芯片对比

2.管脚定义
2.1管脚布局

图 3: ESP32-S2 系列芯片管脚布局（俯视图）

2.2管脚描述
表 2: 管脚描述

说明： 
• P：电源管脚；I：输入；O：输出；T：可以被设置为高阻。 
• ESP32-S2FH2、ESP32-S2FH4 和 ESP32-S2FN4R2 中的内置 flash 端口与芯片管脚对应关系为： 
– CS# = SPICS0 
– DI = SPID 
– DO = SPIQ 
– CLK = SPICLK 
– WP# = SPIWP 
– HOLD# = SPIHD 
ESP32-S2FN4R2 和 ESP32-S2R2 的内置 PSRAM 端口与芯片管脚对应关系为： 
– CE# = SPICS1 
– SI/SIO0 = SPID 
– SO/SIO1 = SPIQ 
– SCLK = SPICLK 
– SIO2 = SPIWP 
– SIO3 = SPIHD 
以上管脚不建议用于其他功能。 
• ESP32-S2 系列芯片和外接 flash 芯片的数据端口连接关系请参考章节 3.4.2。 
• GPIO33、GPIO34、GPIO35、GPIO36、GPIO37 的电源域默认为 VDD3P3_CPU，也可由软件配置为 VDD_SPI。 
• 本表中管脚功能仅指部分固定设置，对于可通过 GPIO 矩阵输入输出的信号，不受本表的限制。有关 GPIO 交换矩阵的更多信息，请参考表 17。

2.3电源管理 
2.4ESP32-S2 系列芯片的数字管脚可分为 4 种不同的电源域： 
• VDD3P3_RTC_IO 
• VDD3P3_CPU 
• VDD_SPI 
• VDD3P3_RTC 
VDD3P3_RTC_IO 同时是 RTC 和 CPU 的输入电源。 
VDD3P3_CPU 是 CPU 的输入电源。 
VDD_SPI 可以作为输入电源或输出电源。VDD_SPI 与一个内置 LDO 的输出相连，该内置 LDO 的输入是 VDD3P3_RTC_IO。 
VDD_SPI 可以与 VDD3P3_RTC_IO 连接在相同的电源上，这时内置 LDO 应该被关闭。 
VDD3P3_RTC 是 RTC 模拟的输入电源。 
ESP32-S2 系列芯片的数字电源管理如图 4 所示：

图 4: ESP32-S2 系列芯片数字电源管理

VDD_SPI 可选择由内置 LDO 供电（电压为 1.8 V）或由 VDD3P3_RTC_IO 通过电阻 RSP I 后供电（电压典型值为 3.3 V）。ESP32-S2FH2、ESP32-S2FH4、ESP32-S2FN4R2 和 ESP32-S2R2 由于内置 3.3 V SPI flash、PSRAM， VDD_SPI 必须由 VDD3P3_RTC_IO 通过电阻 RSP I 后供电。在 Deep-sleep 模式下，为了使 flash 漏电降到低， 可以通过软件关闭 VDD_SPI 电源。

关于 CHIP_PU 的说明： 
下图为 ESP32-S2 系列芯片上电、复位时序图。各参数说明如表 3 所示。

图 5: ESP32-S2 系列芯片上电、复位时序图

表 3: ESP32-S2 系列芯片上电、复位时序图参数说明

2.5Strapping 管脚 
2.6ESP32-S2 系列芯片共有 3 个 Strapping 管脚。 
• GPIO0 
• GPIO45 
• GPIO46 
软件可以读取寄存器“GPIO_STRAPPING”中这几个管脚 strapping 的值。 
在芯片的系统复位（上电复位、RTC 看门狗复位、欠压复位、模拟超级看门狗 (analog super watchdog) 复位、晶 振时钟毛刺检测复位）过程中，Strapping 管脚对自己管脚上的电平采样并存储到锁存器中，锁存值为“0”或 “1”，并一直保持到芯片掉电或关闭。 
GPIO0, GPIO45, GPIO46 默认连接内部上拉/下拉。如果这些管脚没有外部连接或者连接的外部线路处于高阻抗 状态，内部弱上拉/下拉将决定这几个管脚输入电平的默认值。 
为改变 Strapping 的值，用户可以应用外部下拉/上拉电阻，或者应用主机 MCU 的 GPIO 控制 ESP32-S2 系列芯 片上电复位时的 Strapping 管脚电平。 
复位放开后，Strapping 管脚和普通管脚功能相同。 
配置 Strapping 管脚的详细启动模式请参阅表 4 。 

表 4: Strapping 管脚

说明： 
1.VDD_SPI 电压由 GPIO45 的 strapping 值或 eFuse 中 VDD_SPI_TIEH 决定。eFuse 中 VDD_SPI_FORCE 选择决 定方式：0：由 GPIO45 的 strapping 值决定；1：由 eFuse 中 VDD_SPI_TIEH 决定。 
2.ESP32-S2FH2、ESP32-S2FH4、ESP32-S2FN4R2 和 ESP32-S2R2 由于内置 3.3 V SPI flash、PSRAM，VDD_SPI 必须配置成 3.3 V。 
3. GPIO46 = 1 且 GPIO0 = 0 不可使用。 
4. ROM Code 上电打印默认通过 U0TXD 管脚，可以由 eFuse 位控制切换到 DAC_1 管脚。 
5. eFuse 的 UART_PRINT_CONTROL 为 
0 时，上电正常打印，不受 GPIO46 控制。 
1 时，GPIO46 为 0：上电正常打印；GPIO46 为 1：上电不打印。 
2 时，GPIO46 为 0：上电不打印；GPIO46 为 1：上电正常打印。 
3 时，上电不打印，不受 GPIO46 控制。

3.功能描述 
本章描述 ESP32-S2 系列芯片的各个功能模块。 
3.1CPU 和存储 
3.23.1.1 CPU
3.3
ESP32-S2 系列芯片搭载低功耗 Xtensa® LX7 32 位单核处理器，具有以下特性： 
• 7 级流水线架构，支持高达 240 MHz 的时钟频率 
• 16 位 / 24 位指令集提供高代码密度 
• 支持 32 位乘法器、32 位除法器 
• 非缓存 GPIO 指令 
• 支持 6 级 32 个中断 
• 支持 windowed ABI，64 个物理通用寄存器 
• 支持带 TRAX 压缩模块的 trace 功能，大 16 KB trace memory 
• 用于调试的 JTAG 接口

3.1.2 片上存储 
ESP32-S2 系列芯片片上存储包括：
• 128 KB ROM：用于程序启动和内核功能调用 
• 320 KB 片上 SRAM：用于数据和指令存储 
• RTC 快速存储器：为 8 KB SRAM，可被主 CPU 访问，在 Deep-sleep 模式下可以保存数据 
• RTC 慢速存储器：为 8 KB SRAM，可被主 CPU 或协处理器访问，在 Deep-sleep 模式下可以保存数据 
• 4 Kbit eFuse：其中 1792 位保留给用户使用，例如用于存储密钥和设备 ID 
• 嵌入式 flash 和 PSRAM：不同型号有区别，详见章节 1：产品型号对比

3.1.3 外部 Flash 和片外 RAM
ESP32-S2 系列芯片支持多个外部 QSPI/OSPI flash 和片外 RAM。该系列芯片还支持基于 XTS-AES 的硬件加解 密功能，从而保护开发者 flash 和片外 RAM 中的程序和数据。 
CPU 的指令空间、只读数据空间可以映射到外部 flash 和片外 RAM，CPU 的数据空间还可以映射到片外 RAM。 外部 flash 和片外 RAM 各可以大支持 1 GB。 
通过高速缓存，ESP32-S2 系列芯片一次多可以同时有： 
• 7.5 MB 的指令空间映射到 flash 与片外 RAM。如果实际使用指令空间大小超出 3.5 MB，则可能由于 CPU 的内部流水线特性导致 cache 性能略有降低。 
• 4 MB 的只读数据空间以 64 KB 的块映射到 flash 或片外 RAM，支持 8 位、16 位、32 位读取。 
• 10.5 MB 的数据空间以 64 KB 的块映射到片外 RAM。支持 8 位、16 位、32 位读写。10.5 MB 也可以是 只读数据空间，映射到 flash。
说明： 芯片启动完成后，软件可以自定义片外 RAM 或 flash 到 CPU 地址空间的映射。
3.1.4 存储器映射 
ESP32-S2 系列芯片的地址映射结构如图 6 所示。

图 6: 地址映射结构
说明： 图中灰色背景标注的地址空间不可用。

3.1.5 Cache
ESP32-S2 系列芯片包含独立的指令和数据 cache，具有以下特性： 
• 可独立配置大小，8 KB 或 16 KB 
• 4 路组关联 
• 块大小支持 16 字节或 32 字节 
• 支持 pre-load 功能
• 支持 lock 功能 
• 支持关键字优先 (critical word first) 和提前重启 (early restart)

3.2 系统时钟 
3.2.1 CPU 时钟 CPU 时钟有 4 种可能的时钟源： 
• 外置 40 MHz 主晶振时钟 
• 内置 8 MHz 振荡器时钟 
• PLL 时钟 
• 音频 PLL 时钟 应用程序可以在外置主晶振、PLL 时钟、音频 PLL 时钟和内置 8 MHz 时钟中选择一个作为时钟源。根据不同的应用程序，被选择的时钟源直接或在分频之后驱动 CPU 时钟。

3.2.2 RTC 时钟 
RTC 慢速时钟有 3 种可能的时钟源： 
• 外置低速 (32 kHz) 晶振时钟 
• 内置 RC 振荡器（通常为 90 kHz，频率可调节） 
• 内置 31.25 kHz 时钟（由内置 8 MHz 振荡器时钟经 256 分频生成） RTC 快速时钟有 2 种可能的时钟源： 
• 外置主晶振的 4 分频时钟 
• 内置 8 MHz 振荡器的 N 分频时钟 RTC 慢速时钟应用于 RTC 计数器、RTC 看门狗和低功耗控制器；RTC 快速时钟应用于 RTC 外设和传感器控制器。

3.2.3 音频 PLL 时钟 
音频时钟由超低噪声小数分频 PLL 生成。

3.3模拟外设 
3.3.1模/数转换器 (ADC) 
ESP32-S2 系列芯片集成了 2 个 13 位 SAR ADC，共支持 20 个模拟通道输入。为了实现更低功耗，ESP32-S2 系 列芯片的 ULP 协处理器也可以在睡眠方式下测量电压，此时，可通过设置阈值或其他触发方式唤醒 CPU。 
多可配置 20 个管脚的 ADC，用于电压模数转换。 
有关 ADC 特性，请参考表 11。

3.3.2数/模转换器 (DAC) 
ESP32-S2 系列芯片有 2 个 8 位 DAC 通道，将 2 路数字信号分别转化为 2 个模拟电压信号输出，两个通道可以 独立地工作。DAC 电路由内置电阻串和 1 个缓冲器组成。DAC 的参考电压为 VDD3P3_RTC_IO。 

3.3.3温度传感器 
温度传感器生成一个随温度变化的电压。内部 ADC 将传感器电压转化为一个数字量。 温度传感器的测量范围为–20 °C 到 110 °C。温度传感器一般只适用于监测芯片内部温度的变化，该温度值会随 着微控制器时钟频率或 IO 负载的变化而变化。一般来讲，芯片内部温度会高于外部温度。 

3.3.4触摸传感器 
ESP32-S2 系列芯片提供了多达 14 个电容式传感 GPIO，能够探测由手指或其他物品直接接触或接近而产生的 电容差异。这种设计具有低噪声和高灵敏度的特点，可以用于支持使用相对较小的触摸板。设计中也可以使用 触摸板阵列以探测更大区域或更多点。ESP32-S2 系列芯片的触摸传感器同时还支持防水和数字滤波等功能来 进一步提高传感器的性能。表 5 列出了 14 个电容式传感 GPIO。

表 5: ESP32-S2 系列芯片上的电容式传感 GPIO

3.4数字外设 
3.4.1通用输入/输出接口 (GPIO) 
ESP32-S2 系列芯片共有 43 个 GPIO 管脚，通过配置对应的寄存器，可以为这些管脚分配不同的功能。除作为 数字信号管脚外，部分 GPIO 管脚也可配置为模拟功能管脚，比如 ADC、DAC、touch 等管脚。 
除 GPIO46 为固定下拉外，其余 GPIO 都可以被配置为内部上拉/下拉，或者被设置为高阻。GPIO 配置为输入 管脚时，软件可通过读取寄存器获取其输入值。输入管脚也可经设置产生边缘触发或电平触发的 CPU 中断。除 GPIO46 只有输入功能外，其他数字 IO 管脚都是双向、非反相和三态的，包括带有三态控制的输入和输出缓冲 器。这些管脚可以复用作其他功能，例如 UART、SPI 等。当芯片低功耗运行时，GPIO 可设定为保持状态。

3.4.2 串行外设接口 (SPI)
ESP32-S2 系列芯片共有 4 个 SPI（SPI0，SPI1，SPI2 和 SPI3）。SPI0 和 SPI1 只可以配置成 SPI 存储器模式， SPI2 既可以配置成 SPI 存储器模式又可以配置成通用 SPI 模式；SPI3 只可以配置成通用 SPI 模式。

• SPI 存储器 (SPI Memory) 模式 
SPI 存储器模式（SPI0, SPI1 和 SPI2）用于连接 SPI 接口的外部存储器。SPI 存储器模式下数据传输长度 以字节为单位，高支持 8 线 STR/DDR 读写操作。时钟频率可配置, STR 模式下支持的高时钟频率为 80 MHz，DDR 模式下支持的高时钟频率为 40 MHz。 
• SPI2 通用 SPI (GP-SPI) 模式 
SPI2 作为通用 SPI 时，既可以配置成主机模式，又可以配置成从机模式。主机模式支持 2 线全双工和 1/2/4/8 线半双工通信；从机模式支持 2 线全双工和 1/2/4 线半双工通信。通用 SPI 的主机时钟频率可配 置；数据传输长度以字节为单位；时钟极性 (CPOL) 和相位 (CPHA) 可配置；可连接 DMA 通道。 
– 在 2 线全双工通信模式下, 主机的时钟高频率为 80 MHz，从机的时钟高频率为 40 MHz。支持 SPI 传输的 4 种时钟模式。 
– 在主机 1/2/4/8 线半双工通信模式下，时钟频率高为 80 MHz，支持 SPI 传输的 4 种时钟模式。 
– 在从机 1/2/4 线半双工通信模式下，时钟频率高为 40 MHz，也支持 SPI 传输的 4 种时钟模式。 
• SPI3 通用 SPI (GP-SPI) 模式 
SPI3 只能作为通用 SPI，既可以配置成主机模式，又可以配置成从机模式，具有 2 线全双工和 1 线半双工 通信功能。通用 SPI 的主机时钟频率可配置；数据传输长度以字节为单位；时钟极性 (CPOL) 和相位 (CPHA) 可配置；可连接 DMA 通道。 
– 在 2 线全双工通信模式下, 主机的时钟频率高为 80 MHz，从机的时钟频率高为 40 MHz。支持 SPI 传输的 4 种时钟模式。 
– 在 1 线半双工通信模式下，主机的时钟频率高为 80 MHz，支持 SPI 传输的 4 种时钟模式；从机的 时钟频率高为 40 MHz，也支持 SPI 传输的 4 种时钟模式。

通常情况下，ESP32-S2 系列芯片和外接 flash 芯片的数据端口连接关系是： SPI 8 线模式时： 
• SPID (SPID) = IO0 
• SPIQ (SPIQ) = IO1 
• SPIWP (SPIWP) = IO2 
• SPIHD (SPIHD) = IO3 
• GPIO33 = IO4 
• GPIO34 = IO5 
• GPIO35 = IO6 
• GPIO36 = IO7 
• GPIO37 = DQS 
SPI 4 线模式时： 
• SPID (SPID) = IO0 
• SPIQ (SPIQ) = IO1
• SPIWP (SPIWP) = IO2 
• SPIHD (SPIHD) = IO3
SPI 2 线模式时： 
• SPID (SPID) = IO0 
• SPIQ (SPIQ) = IO1 SPI 1 线模式时： 
• SPID (SPID) = DI 
• SPIQ (SPIQ) = DO 
• SPIWP (SPIWP) = WP# 
• SPIHD (SPIHD) = HOLD#

3.4.3 LCD 接口 
支持 8 位串口 RGB、8080、6800 接口，与 SPI2 共用一套硬件资源。支持 8/16/24 位并口接口 (8080)，与 I2S 共用一套硬件资源。

3.4.4 通用异步收发器 (UART) 
ESP32-S2 系列芯片有 2 个 UART 接口，即 UART0、UART1，支持异步通信（RS232 和 RS485）和 IrDA，通 信速率可达到 5 Mbps。UART 支持 CTS 和 RTS 信号的硬件管理以及软件流控（XON 和 XOFF）。这两个接口均 可被 DMA 访问或者 CPU 直接访问。 

3.4.5 I2C 接口 
ESP32-S2 系列芯片有 2 个 I2C 总线接口，根据用户的配置，总线接口可以用作 I2C 主机或从机模式。I2C 接口 支持： 
• 标准模式 (100 Kbit/s) 
• 快速模式 (400 Kbit/s) 
• 速度高可达 5 MHz，但受制于 SDA 上拉强度 
• 7 位/10 位寻址模式 
• 双寻址模式 
用户可以配置指令寄存器来控制 I2C 接口，从而实现更多灵活的应用。

3.4.6 I2S 接口 
ESP32-S2 系列芯片有 1 个标准 I2S 接口，可以以主机或从机模式，在全双工或半双工模式下工作，并且可被配 置为 8/16/24/32 位的输入输出通道，支持频率从 10 kHz 到 40 MHz 的 BCK 时钟。 I2S 接口有专用的 DMA 控制器。支持 PCM 接口。 

3.4.7 Camera 接口 
ESP32-S2 系列芯片支持 8 位或 16 位 DVP 图像传感器接口，高时钟频率支持到 40 MHz，但与 I2S 接口共用 一套硬件资源。

3.4.8 红外遥控器 
红外遥控器支持 4 通道的红外发射和接收。通过程序控制脉冲波形，遥控器可以支持多种红外协议和单线协议。 4 个通道共用 1 个 256 × 32 位的存储模块来存放收发的波形。 

3.4.9 脉冲计数器 
脉冲计数器通过多种模式捕捉脉冲并对脉冲边沿计数。内部有 4 个通道，每个通道一次可同时捕捉 4 个信号。每 组 4 个输入包括 2 个脉冲信号和 2 个控制信号。 

3.4.10 LED PWM 
LED PWM 控制器可以用于生成 8 路独立的数字波形。它具有如下特性： 
• 波形的周期和占空比可配置，在信号周期为 1 ms 时，占空比精确度可达 18 位 
• 多种时钟源选择，包括：APB 总线时钟、外置主晶振时钟 
• 可在 Light-sleep 模式下工作 
• 支持硬件自动步进式地增加或减少占空比，可用于 LED RGB 彩色梯度发生器 

3.4.11 USB 1.1 OTG 接口 
ESP32-S2 系列芯片带有一个集成了收发器的全速 USB OTG 外设，符合 USB 1.1 规范。它具有以下特性： 
• 软件可配置的端点设置，支持挂起/恢复。 
• 支持动态 FIFO 大小 
• 会话请求协议 (SRP) 和主机协商协议 (HNP)。 
• 芯片内部已集成全速 USB PHY。 

3.4.12 TWAI® 控制器 
ESP32-S2 系列带有一个 TWAI® 控制器，具有如下特性： 
• 兼容 ISO 11898-1 协议（CAN 规范 2.0） 
• 支持标准格式（11-bit 标识符）和扩展格式（29-bit 标识符） 
• 支持 1 Kbit/s ~ 1 Mbit/s 位速率 
• 支持多种操作模式：正常模式、只听模式和自测模式 
• 64 字节接收 FIFO 
• 特殊发送：单次发送和自发自收 
• 接收滤波器（支持单滤波器和双滤波器模式） 
• 错误检测与处理：错误计数、错误报警限制可配置、错误代码捕捉和仲裁丢失捕捉 

3.5射频和 Wi-Fi 
ESP32-S2 系列芯片射频包含以下主要模块： 
• 2.4 GHz 接收器
• 2.4 GHz 发射器 
• 偏置 (Bias) 和线性稳压器 
• Balun 和收发切换器 
• 时钟生成器

3.5.12.4 GHz 接收器 
2.4 GHz 接收器将 2.4 GHz 射频信号解调为正交基带信号，并用 2 个高精度、高速的 ADC 将后者转为数字信 号。为了适应不同的信道情况，ESP32-S2 系列芯片集成了 RF 滤波器、自动增益控制 (AGC)、DC 偏移补偿电 路和基带滤波器。 

3.5.22.4 GHz 发射器 
2.4 GHz 发射器将正交基带信号调制为 2.4 GHz 射频信号，使用大功率互补金属氧化物半导体 (CMOS) 功率放 大器驱动天线。数字校准进一步改善了功率放大器的线性。 
为了抵消射频接收器的瑕疵，ESP32-S2 系列芯片还另增了校准措施，例如: 
• 载波泄露消除 
• I/Q 幅度/相位匹配 
• 基带非线性抑制 
• 射频非线性抑制 
• 天线匹配 
这些内置校准措施缩短了产品测试的成本和时间，并且不再需要测试设备。 

3.5.3时钟生成器 
时钟生成器为接收器和发射器生成 2.4 GHz 正交时钟信号，所有部件均集成于芯片上，包括电感、变容二极管、 环路滤波器、线性稳压器和分频器。 时钟生成器带有内置校准电路和自测电路。运用自主知识产权的优化算法，对正交时钟的相位和相位噪声进行 优化处理，使接收器和发射器都有好的性能表现。 

3.5.4Wi-Fi 射频和基带 
ESP32-S2 系列芯片 Wi-Fi 射频和基带支持以下特性： 
• 802.11b/g/n 
• 802.11n MCS0-7 支持 20 MHz 和 40 MHz 带宽 
• 802.11n MCS32 
• 802.11n 0.4 µs 保护间隔 
• 数据率高达 150 Mbps • STBC RX（单空间流） 
• 可调节的发射功率 
• 天线分集；
ESP32-S2 系列芯片支持基于外部射频开关的天线分集与选择。外部射频开关由一个或多个 GPIO 管脚控 制，用来选择合适的天线以减少信道衰落的影响。

3.5.5Wi-Fi MAC 
ESP32-S2 系列芯片完全遵循 802.11 b/g/n Wi-Fi MAC 协议栈，支持分布式控制功能 (DCF) 下的基本服务集 (BSS) STA 和 SoftAP 操作。支持通过小化主机交互来优化有效工作时长，以实现功耗管理。 
ESP32-S2 系列芯片 Wi-Fi MAC 自行支持的底层协议功能如下： 
• 4 × 虚拟 Wi-Fi 接口 
• 同时支持基础结构型网络 (Infrastructure BSS) Station 模式/SoftAP 模式/混杂模式 
• RTS 保护，CTS 保护，立即块确认 (Immediate Block ACK) 
• 分片和重组 (Fragmentation & defragmentation) 
• TX/RX A-MPDU, RX A-MSDU • TXOP • 无线多媒体 (WMM) 
• CCMP, TKIP, WAPI, WEP, BIP 
• 自动 Beacon 监测（硬件 TSF） 
• 802.11mc FTM 

3.5.6 联网特性 
乐鑫提供的固件支持 TCP/IP 联网、ESP-MESH 联网或其他 Wi-Fi 联网协议，同时也支持 TLS 1.0, 1.1, 1.2。 

3.6RTC 和低功耗管理 
3.6.1电源管理单元 (PMU) 
ESP32-S2 系列芯片采用了先进的电源管理技术，可以在不同的功耗模式之间切换。ESP32-S2 系列芯片支持的 功耗模式有： 
• Active 模式：CPU 和芯片射频处于工作状态。芯片可以接收、发射和侦听信号。 
• Modem-sleep 模式：CPU 可运行，时钟频率可配置。Wi-Fi 基带和射频关闭，但 Wi-Fi 可保持连接。 
• Light-sleep 模式：CPU 暂停运行。RTC 外设以及 ULP 协处理器运行。任何唤醒事件（MAC、主机、RTC 定时器或外部中断）都会唤醒芯片。Wi-Fi 可保持连接。 
• Deep-sleep 模式：CPU 和大部分外设都会掉电，只有 RTC 存储器和 RTC 外设处于工作状态。Wi-Fi 连接 数据存储在 RTC 中。ULP 协处理器可以工作。 
• Hibernation 模式：内置的 8 MHz 振荡器和 ULP 协处理器均被禁用。RTC 存储器的电源被切断。只有 1 个 位于低速时钟上的 RTC 时钟定时器和某些 RTC GPIO 在工作。RTC 时钟定时器或 RTC GPIO 可以将芯片 从 Hibernation 模式中唤醒。 
设备在不同的功耗模式下有不同的电流消耗，详情请见表 13。

3.6.2超低功耗协处理器 (ULP) 
ULP 处理器可以用于在正常工作模式下协助 CPU，也可以用于在系统休眠时代替 CPU 来执行任务。ULP 处理 器和 RTC 存储器在 Deep-sleep 模式下仍保持工作状态。因此，开发者可以将 ULP 协处理器的程序存放在 RTC 慢速存储器中，使其能够在 Deep-sleep 模式下访问 RTC GPIO、RTC 外设、RTC 定时器和内置传感器。 
ESP32-S2 系列芯片集成了两个协处理器，分别基于 RISC-V 指令集 (ULP-RISC-V) 和有限状态机 FSM 架构 (ULPFSM)。 ULP-RISC-V 协处理器具有以下特性： 
• 支持 RV32IMC 指令集 
• 32 个 32 位通用寄存器 
• 32 位乘除法器 • 支持中断 
• 支持被主 CPU、专用定时器、RTC GPIO 启动 ULP-FSM 协处理器具有以下特性： • 支持常用指令，包括运算、跳转、控制等 
• 支持传感器专用指令 • 支持被主 CPU、专用定时器、RTC GPIO 启动 注意：两个协处理器不能同时使用。 3.7 定时器 3.7.1 64 位通用定时器 ESP32-S2 系列芯片内置 4 个 64 位通用定时器，具有 16 位分频器和 64 位可自动重载的向上/向下计时器。 定时器具有如下功能： 
• 16 位时钟预分频器，分频系数为 1-65536 
• 64 位时基计数器可配置成递增或递减 
• 可读取时基计数器的实时值 
• 暂停和恢复时基计数器 
• 可配置的报警产生机制 
• 计数器值重新加载（报警时自动重新加载或软件控制的即时重新加载） 
• 电平触发中断和边沿触发中断机制 

3.7.2 看门狗定时器 
ESP32-S2 系列芯片中有三个看门狗定时器：两个定时器组中各一个（称作主系统看门狗定时器，缩写为 MWDT）， RTC 模块中一个（称作 RTC 看门狗定时器，缩写为 RWDT）。看门狗在运行期间会经历四个阶段（除非看门狗 被按时喂狗或者处于关闭状态），每个阶段均可配置单独的超时时间和超时动作，其中除了 RWDT 支持四种超时动作外，其它两个看门狗仅支持三种。超时动作包括：中断、CPU 复位、内核复位和系统复位。其中，只有RWDT 能够触发系统复位，即复位芯片内部所有的数字电路，包括 RTC 和主系统。每个阶段的超时时间都可单 独设置。 
在引导加载 flash 固件期间，RWDT 和第一个 MWDT 会自动使能，以检测引导过程中发生的错误，并恢复运行。 
看门狗定时器具有如下特性： 
• 四个阶段，每个阶段都可配置超时时间。每阶段都可单独配置、使能和关闭。 • 如在某个阶段发生超时，则会采取三或四种（分别针对 MWDT 和 RWDT）动作中的一种（中断、CPU 复 位、内核复位和系统复位）。 
• 保护 32 位超时计数器，防止 RWDT 和 MWDT 的配置被无意间更改。 
• Flash 启动保护 如果在预定时间内 SPI flash 的引导过程没有完成，看门狗会重启整个主系统。

3.8 加密硬件加速器 
ESP32-S2 系列芯片配备硬件加速器，支持一些通用加密算法，比如 AES (FIPS PUB 197)、ECB/CBC/OFB/CFB/CTR (NIST SP 800-38A)、GCM (NIST SP 800-38D)、SHA (FIPS PUB 180-4)、RSA 和 ECC 等，还支持大数 乘法、大数模乘等独立运算，其中 RSA 和大数模乘运算大长度可达 4096 位，大数乘法的因子大长度可达 2048 位。

3.9 物理安全特性 
• 外部 flash 和片外 RAM 通过 AES-XTS 算法进行加密，加密算法使用的密钥无法被软件读写，因此用户的 应用程序代码与数据不会被非法获取。 
• 安全启动功能确保只启动已签名（具有 RSA-PSS 签名）的固件，此功能的可信度是根植于硬件逻辑。 
• HMAC 模块可以使用软件无法访问的安全密钥来生成用于身份验证或其他用途的 MAC 签名。 
• 数字签名模块可以使用软件无法访问的 RSA 密钥生成用于身份验证的 RSA 签名。

3.10 外设管脚分配
表 6: 外设和传感器管脚分配

说明： • GPIO46 只有输入功能，不能用于输出信号。

4. 电气特性
4.1 大额定值
超出大额定值可能导致器件永久性损坏。这只是强调的额定值，不涉及器件的功能性操作。

表 7: 大额定值

4.2 建议工作条件
表 8: 建议工作条件

说明： 1. 更多信息请参考章节 2.3 电源管理。 2. 在使用 VDD_SPI 为外设供电的使用场景中，VDD3P3_RTC_IO 还应满足外设的使用要求，详见表 9。 3. 使用单电源供电时，输出电流需要达到 500 mA 及以上。

4.3 VDD_SPI 输出特性
表 9: VDD_SPI 输出特性

说明： 在实际使用情况下，当 VDD_SPI 为 3.3 V 输出模式的时候，VDD3P3_RTC_IO 需要考虑到 RSP I 的影响。比如在外接 3.3 V flash 的情况下： VDD3P3_RTC_IO > VDD_flash_min + I_flash_max*RSP I 
其中，VDD_flash_min 为 flash 的低工作电压，I_flash_max 为 flash 的大工作电流。 更多信息请参考章节 2.3 电源管理。

4.4 直流电气特性 (3.3 V, 25 °C)
表 10: 直流电气特性 (3.3 V, 25 °C)

说明： 
1. VDD 是 I/O 的供电电源。 
2. VOH 和 VOL 为负载是高阻条件下的测试值。

4.5 ADC 特性
表 11: ADC 特性

说明： 
• 当测量值大于 3,000（电压值约为 2,450 mV），精度会比上表所述低。 
• 使用滤波器多次采样或计算平均值可以获得更好的 DNL 结果。

4.6 功耗特性 
下列功耗数据是基于 3.3 V 电源、25 °C 环境温度，在 RF 接口处完成的测试结果。所有发射数据均基于 100% 的占空比测得。

表 12: RF 功耗

说明： 
测量 RX 功耗数据时，外设处于关闭状态，CPU 处于 idle 状态。

表 13: 不同功耗模式下的功耗

说明： 
• 测量 Modem-sleep 功耗数据时，CPU 处于工作状态，cache 处于 idle 状态。 • 在 Wi-Fi 开启的场景中，芯片会在 Active 和 Modem-sleep 模式之间切换，功耗也会在两种模式间变化。 
• Modem-sleep 模式下，CPU 频率自动变化，频率取决于 CPU 负载和使用的外设。 
• Deep-sleep 模式下，仅 ULP 协处理器处于工作状态时，可以操作 GPIO 及低功耗 I2C。 
• 当系统处于超低功耗传感器监测模式时，ULP 协处理器或传感器周期性工作。触摸传感器以 1% 占空比工作，系 统功耗典型值为 22 µA。

4.7 可靠性

表 14: 可靠性

1. JEDEC 文档 JEP155 规定：500 V HBM 能够在标准 ESD 控制流程下安全生产。 2. JEDEC 文档 JEP157 规定：250 V CDM 能够在标准 ESD 控制流程下安全生产。

4.8 Wi-Fi 射频 
4.8.1 发射器性能规格
表 15: 发射器性能规格

4.8.2 接收器性能规格

表 16: 接收器性能规格

5.封装信息

图 7: QFN56 (7×7 mm) 封装
说明： 
• 从封装俯视图看，芯片管脚从 Pin 1 位置开始按逆时针方向进行编号； 
• 推荐 PCB 封装图源文件 (dxf) 可使用 Autodesk Viewer 查看； 
• 有关卷带、载盘和产品标签的信息，请参阅 《乐鑫芯片包装信息》。