一、前言
GPIO 是微控制器上面最常用到的周邊（peripheral）之一，本篇將分成上篇（理論篇）與下篇（實作篇），介紹 ESP32 的 GPIO 接腳以及數位輸入輸出的使用。
二、GPIO 簡介
GPIO（General Purpose Input/Output），是微控制器或模組的數位輸入/輸出接腳，也是微控制器上面最常用到，也最通用的周邊（peripheral）之一。我們可以使用GPIO連接外部元件來讀取或控制接腳的狀態，並藉此達成各項功能與操作。舉例來說，當GPIO設定在輸入模式時，可以用來讀取按鈕的狀態或感測器的資料；當GPIO設定在輸出模式時，可以用來控制LED閃爍、調整LED的亮度或馬達運轉的速度等等。
在早期的微控制器上，每一隻 I/O 接腳只能專做輸入或輸出功能，而現代的微控制器除了少部分的接腳仍需保留給系統與特殊用途外，大部分的 I/O 接腳（也就是我們說的 GPIO）都是沒有特定用途的通用接腳，這些接腳可以由程式設定要做為輸入或輸出使用，這也是為什麼 GPIO 的名稱會叫做「通用輸入/輸出」的原因。
三、ESP32 的 GPIO
ESP32 開發板上總共有 38 隻接腳🦶，除了電源和 RESET 腳以外，所有的 I/O 接腳都有 GPIO 的功能。
💡 Tips
如果您使用的是不同型號的ESP32開發板，開發板的接腳數量與可用接腳可能會略有不同。
下圖是ESP32的腳位圖：
電氣特性
● 雖然我們可以透過 USB 的 5V 供電給開發板，但實際上 ESP32 的標準工作電壓是 3.3V，因此任何接腳的輸入和輸出都不能超出 3.3V。數位輸出的高態（HIGH）電壓和ADC輸入的最大電壓也都是 3.3V，和 Arduino 不同，在使用上請務必小心⚠️。
| 參數 | 最小值 | 標準值 | 最大值 | 單位 |
|---|---|---|---|---|
| 供電電壓 | 3.0 | 3.3 | 3.6 | V |
| 外部電源供電電流 | 0.5 | – | – | A |
| 工作溫度 | -40 | – | 85 | °C |
💡 Tips
開發板上有一隻 VIN 5V 的接腳，它的功能與 Ardunio 開發板的 VIN 相同，即提供外部電源輸入。當我們使用USB供電給ESP32時，USB的5V電壓會先藉由穩壓器降壓到3.3V後再提供給ESP32使用。
● 外部電源輸入範圍：4.75V ~ 12V
● 在輸出模式下，高態時單一隻接腳最多可以流出40mA的電流（source current）。低態時最多可以流入28mA的電流（sink current）。
| 模式 | 電壓準位 | 流出電流 (source current) | 流入電流 (sink current) |
|---|---|---|---|
| 數位輸出 | HIGH （3.3V） | 40mA （Max） | – |
| 數位輸出 | LOW （0V） | – | 28mA |
特殊接腳
雖然所有的I/O腳位都可以當作GPIO使用，但部分腳位仍然有使用上的限制。
- Flash/PSRAM 通訊接腳：GPIO 6, GPIO 7, GPIO 8, GPIO 9, GPIO 10, GPIO 11 這幾隻接腳都連接到模組內部的 flash/PSRAM，無論是輸入或輸出都不建議使用這些接腳。
- 只能用作輸入的接腳： GPIO 34、GPIO 35、GPIO 36、GPIO 39 只能設定成輸入模式（數位或類比皆可），且沒有內建上拉或下拉功能。
- USB to UART 通訊接腳：GPIO 1 （TX0）和GPIO 3（RX0）用來跟電腦 USB 通訊，若占用的話可能會無法上傳程式，也會沒辦法開啟序列埠監控視窗，因此也不建議使用。
- Strapping 接腳：晶片在啟動或重置的過程中會對 Strapping 接腳進行電壓採樣，復位完成後使用上就與一般接腳無異。GPIO 0, GPIO 2, GPIO 12 與 GPIO 15 都是Strapping接腳，不建議用在需要外部上拉或下拉的場合。
- 其它接腳：有些接腳會在晶片啟動或重置時產生短暫的輸出訊號，如果有作為輸出的元件或模組（例如： 繼電器、LED、蜂鳴器等）連接到這些接腳，可能會在此階段產生非預期的輸出結果。 包含：GPIO 1, GPIO 3, GPIO5, GPIO 6 ~ GPIO 11, GPIO 14, GPIO 15。
- EN/RST 接腳（非GPIO接腳）：EN 接腳與開發板上的 EN 按鈕相通，可以透過高或低電位控制 ESP32 的開啟或關閉。正常運作時，EN接腳會接到高電位，若將接腳接地，就會關閉 ESP32 晶片。
- 中斷接腳：所有的 GPIO 接腳都能設定成中斷。
腳位參考表
下表標示綠色為建議使用的腳位，藍色的腳位可以當作一般 GPIO 使用，但是在某些時候需要特別注意，紅色為不建議使用的腳位，詳細的說明可以參考備註欄。
| GPIO | 輸入 | 輸出 | 備註 |
|---|---|---|---|
| 0 | OK（預設上拉） | OK | 1. 啟動時必須在高電位 2. 於燒錄模式（flashing mode）時必須保持在低電位 |
| 1 | TX （USB通訊） | OK | 與電腦UART通訊的接腳 |
| 2 | OK（預設下拉） | OK | 1. 啟動時必須在低電位 2. 連接到板載LED |
| 3 | OK | RX （USB通訊） | 與電腦UART通訊的接腳 |
| 4 | OK | OK | |
| 5 | OK（預設上拉） | OK | 啟動時必須在高電位 |
| 6 | X | X | 連接到模組內部的SPI |
| 7 | X | X | 連接到模組內部的SPI |
| 8 | X | X | 連接到模組內部的SPI |
| 9 | X | X | 連接到模組內部的SPI |
| 10 | X | X | 連接到模組內部的SPI |
| 11 | X | X | 連接到模組內部的SPI |
| 12 | OK（預設下拉） | OK | 啟動時必須在低電位 |
| 13 | OK | OK | |
| 14 | OK | OK | |
| 15 | OK（預設上拉） | OK | 啟動時必須在高電位 |
| 16 | OK | OK | |
| 17 | OK | OK | |
| 18 | OK | OK | |
| 19 | OK | OK | |
| 20 | OK | OK | |
| 21 | OK | OK | |
| 22 | OK | OK | |
| 23 | OK | OK | |
| 24 | OK | OK | |
| 25 | OK | OK | |
| 26 | OK | OK | |
| 27 | OK | OK | |
| 28 | OK | OK | |
| 29 | OK | OK | |
| 30 | OK | OK | |
| 31 | OK | OK | |
| 32 | OK | OK | |
| 33 | OK | OK | |
| 34 | OK | – | 1. 只能設定成輸入模式 2. 沒有內建上拉或下拉功能 |
| 35 | OK | – | 1. 只能設定成輸入模式 2. 沒有內建上拉或下拉功能 |
| 36 | OK | – | 1. 只能設定成輸入模式 2. 沒有內建上拉或下拉功能 |
| 39 | OK | – | 1. 只能設定成輸入模式 2. 沒有內建上拉或下拉功能 |
| EN | – | – | 此接腳連接到EN按鈕，按下按鈕（接地）後可以重置 |
🧊 冷知識
ESP32 模組上並沒有 GPIO 37 以及 GPIO 38 接腳。ʅ（´◔౪◔）ʃ
周邊（pheripheral）
ESP32 的實體接腳除了可以當作一般的 GPIO 使用之外，也和其它微控制器一樣支援多種周邊（peripheral）介面，這些介面可以用來和其它感測器、模組或電路溝通。
以下是 ESP32 的周邊：
- 18個 ADC（Analog-to-Digital Converter）通道
- 3個 SPI 介面
- 3個 UART 介面
- 2個 I2C 介面
- 16個 PWM 輸出通道
- 2個 DAC （Digital-to-Analog Converters）
- 2個 I2S 介面
- 10個 電容感測器接腳
與 Arduino UNO 不同的是，ESP32有接腳多工（pin multiplexing）的功能，它可以讓我們自己指定周邊到任何 GPIO 接腳。在所有的周邊中，SPI、I2C、UART、PWM 和 DAC 都可以使用軟體指定接腳，只有 ADC 和電容感測器需要與特定的接腳綁定（請見ESP32腳位圖），這個功能的最大優點是可以在不改變物理接腳的情況下進行修改，也可以讓硬體規劃與設計更靈活。
💡 Tips
當開啟 Wi-Fi 功能時，會佔據 ADC2 的資源。如果要同時使用 Wi-Fi 和 ADC 功能，建議使用 ADC1 的 GPIO 資源。
四、使用 ESP32 GPIO 的注意事項
- ESP32 晶片使用的是 3.3V 的電壓，使用模組或是連接元件時請不要超過 3.3V。
- 接腳輸出最多 40mA，輸入最多 28mA，若超出最大值容易損壞接腳及元件。
- 開啟 Wi-Fi 功能時會占用 ADC2 腳位，但可以使用 ADC1 量測。
- GPIO 34, GPIO 35, GPIO 36, GPIO 39只能做為輸入使用，且沒有內建上拉或下拉電阻。
- 不建議使用的接腳：GPIO 6, GPIO 7, GPIO 8, GPIO 9, GPIO 10, GPIO 11。
五、小結
這篇文章介紹了 ESP32 的 GPIO 接腳、電器特性以及使用限制和注意事項，下一篇文章將以實作的方式說明數位輸入／輸出的控制語法，以及如何使用內建的上拉與下拉電阻簡化電路。
