Learning Objectives
- 說出微控制器與單板電腦（例如樹莓派）的差別，以及各自適合的用途
- 認識 ESP32 的主要規格：雙核心處理器、Wi-Fi、藍牙、GPIO 與 ADC
- 分辨晶片、模組與開發板，知道 ESP32 家族有不同型號
- 知道哪些腳位只能輸入、哪些腳位最好不要用
一顆可以連網的小電腦
智慧插座、空氣品質偵測器、自動澆花器、會把溫度傳到手機的小盒子：這些物聯網（IoT）裝置裡， 常常有一顆和 ESP32 類似的晶片。它要做的事很單純：讀感測器、控制開關、透過 Wi-Fi 把資料送出去，而且要省電、體積小。
ESP32 是上海的樂鑫科技（Espressif Systems）在 2016 年推出的晶片，前一代是 ESP8266。 它把處理器、記憶體、Wi-Fi 與藍牙都整合在同一顆晶片上，所以很適合拿來做會連網的作品。
這一軌用 MicroPython（給微控制器用的 Python）寫程式。你會從點亮 LED 開始，一路做到連上 Wi-Fi、用 MQTT 收送訊息的感測節點。 這一課先認識 ESP32 是什麼、開發板上有什麼，下一課再把 MicroPython 裝進去。
微控制器和單板電腦有什麼不同
ESP32 是微控制器（microcontroller，MCU），樹莓派是單板電腦（single-board computer）。兩者都很小、都能接感測器，但定位不同：
| 微控制器（ESP32） | 單板電腦（樹莓派） | |
|---|---|---|
| 作業系統 | 沒有一般的作業系統，開機直接執行你的程式 | 執行 Linux，程式是作業系統上的一個應用程式 |
| 開機 | 通電後很快就開始執行 | 要等作業系統開機 |
| 記憶體 | KB 等級（ESP32 有 520 KB SRAM） | GB 等級 |
| 耗電 | 低，深度睡眠可以很省電，適合電池供電 | 較高，通常要持續供電 |
| 擅長 | 讀感測器、控制開關、準確的時序、長時間運作 | 跑網頁伺服器、資料庫、影像處理、多個程式同時執行 |
簡單說：一直盯著一件事、要省電、要便宜用微控制器；要處理大量資料、要跑完整的軟體用單板電腦。 兩者也常一起用：多個 ESP32 感測節點把資料傳給一台樹莓派整理。「樹莓派」軌和「自造者入門」軌第 01 課有更多比較。
「計算機概論」軌介紹過電腦的基本架構（CPU、記憶體、輸入輸出），微控制器就是把這些全部放進一顆晶片的小電腦。
ESP32 的規格
以下是原版 ESP32 的主要規格（取自樂鑫的 ESP32 系列規格書）：
| 項目 | 規格 |
|---|---|
| 處理器 | Xtensa 32 位元 LX6，雙核心（也有單核心的型號），最高 240 MHz |
| 記憶體 | 520 KB SRAM、448 KB ROM；程式與檔案放在外接的快閃記憶體（flash） |
| Wi-Fi | 802.11 b/g/n，2.4 GHz |
| 藍牙 | Bluetooth v4.2 BR/EDR 與藍牙低功耗（BLE） |
| GPIO | 34 支可程式化的腳位 |
| 類比輸入 | 12 位元 ADC，最多 18 個通道 |
| 其他 | 2 個 8 位元 DAC、10 個觸控感測、PWM、I2C、SPI、UART 等 |
| 工作電壓 | 2.3V～3.6V，一般使用 3.3V |
注意最後一行：ESP32 是 3.3V 的晶片，腳位的高電位是 3.3V。之後接模組時要確認它能接受 3.3V 的訊號，不要把 5V 直接接到 GPIO。
晶片、模組、開發板
- 晶片：就是 ESP32 本身，一小塊方形的積體電路。
- 模組：晶片加上快閃記憶體、石英振盪器、天線，外面包一層金屬殼，例如 ESP32-WROOM-32。
- 開發板：把模組焊在一塊板子上，加上 USB 接頭、USB 轉序列晶片、穩壓器、按鈕與 LED，兩側拉出排針， 插在麵包板上就能用，例如樂鑫的 ESP32-DevKitC。這一軌說的「ESP32」都是指開發板。
開發板上通常有兩個按鈕：EN（重設，按一下就重新開機）與 BOOT（下一課燒錄韌體時可能用到）。
ESP32 家族
樂鑫後來推出了許多型號，名稱都以 ESP32 開頭，但處理器與功能不同：
| 型號 | 特色 |
|---|---|
| ESP32（原版） | Xtensa LX6 雙核心，Wi-Fi＋傳統藍牙與 BLE；本課程以它為準 |
| ESP32-S2 | Xtensa LX7 單核心，有 USB，沒有藍牙 |
| ESP32-S3 | Xtensa LX7 雙核心，有 USB，藍牙 5（BLE） |
| ESP32-C3 | RISC-V 處理器，藍牙 5（BLE） |
| ESP32-C6 | RISC-V 處理器，支援 Wi-Fi 6 |
不同型號的腳位編號、ADC、PWM 細節不一樣，買板子與查資料時要先確認型號。
逐步看：ESP32 上的第一支程式
先看看 MicroPython 程式長什麼樣子：和一般 Python 幾乎一樣，多了 machine 這種控制硬體的模組。
上方是開發板，藍色的板上 LED 接在 GPIO2。每一行的意思下一課、下下課會詳細說明，這裡先看整體。
腳位不是每一支都一樣
開發板兩側的排針上印著 GPIO 編號（例如 D23、G23 或 23，依廠商而不同）。
程式裡用的是 GPIO 編號，不是排針的第幾支。大部分 GPIO 可以當輸入或輸出，但有幾群要注意：
| 腳位 | 限制 |
|---|---|
| GPIO34～39 | 只能當輸入，而且沒有內建上拉、下拉電阻；適合接感測器 |
| GPIO6、7、8、11、16、17 | MicroPython 官方文件提醒：用來連接板上的快閃記憶體（或 PSRAM），不建議拿來做別的事 |
| GPIO1、3 | 序列埠（UART0）的 TX、RX，電腦和開發板溝通用，也就是下一課 REPL 走的線 |
| GPIO0、2、5、12、15 | 開機設定腳位（strapping pins）：開機那一刻的電位會決定開機模式等設定，接了會拉高、拉低的電路可能導致無法開機 |
初學時，接 LED、按鈕、感測器優先用 GPIO4、13、18、19、21、22、23、25、26、27、32、33。 GPIO2 接著板上 LED，也是開機設定腳位，拿來閃板上 LED 沒問題，外接電路時避開比較保險。 用程式把只能輸入的腳位設成輸出，MicroPython 會直接拒絕：
逐步看：哪些腳位能當輸出
程式依序嘗試把四支腳位設成輸出。設定失敗時 Pin() 會丟出 ValueError，用 try/except 接住，印出原因。
小測驗：微控制器與規格
下面哪一個專題比較適合用 ESP32，而不是樹莓派？
ESP32 腳位的高電位大約是多少？
「ESP32-WROOM-32」指的是什麼？
小測驗：腳位
下面的程式模擬「哪些腳位能當輸出」，會印出什麼？
input_only = range(34, 40)
ok = [n for n in (2, 23, 36, 25, 39) if n not in input_only]
print(ok)
外接電路接在 GPIO12 之後，開發板常常無法正常開機。最可能的原因是什麼？
重點整理
- ESP32 是樂鑫在 2016 年推出的微控制器：雙核心最高 240 MHz、520 KB SRAM、Wi-Fi 與藍牙整合在同一顆晶片。
- 微控制器開機直接執行你的程式、省電、適合長時間做一件事；單板電腦跑完整的作業系統，適合大量運算與複雜軟體。
- ESP32 是 3.3V 的晶片；平常用的是把模組焊在板上、加了 USB 與排針的開發板。
- ESP32 家族有 S2、S3、C3、C6 等型號，腳位與功能不同，查資料前先確認型號。
- 腳位限制：GPIO34～39 只能輸入；GPIO6、7、8、11、16、17 接快閃記憶體；GPIO1、3 是序列埠；GPIO0、2、5、12、15 是開機設定腳位。
下一課把 MicroPython 韌體燒進 ESP32，並在 REPL 裡一行一行地下指令。