浅谈ESP32-C3芯片的关键优势

乐鑫科技在2014和2016年分别推出了ESP8266和ESP32芯片。ESP8266是单Wi-FiMCU，适合于简单的物联网应用场景；ESP32同时支持Wi-Fi和Bluetooth/BluetoothLE，可满足需要高算力或强大安全性能的产品需求。两款芯片均已成功应用于数以亿计的物联网设备，成为国际市场上不可或缺的物联网芯片。

与此同时，随着物联网市场的飞速发展，用户对物联网芯片的功能定义与成本预期也愈发明晰。乐鑫科技意识到，一款有竞争力的物联网芯片，必须在性能和成本之间取得良好的平衡。同时，市场上也需要多样化的物联网芯片，以满足不同用户的需求。于是，乐鑫设计开发了ESP32-C3，满足常见的物联网产品功能需求，同时大幅度提升产品的安全性能。

ESP32-C3的设计，着重考量了以下几点：

安全问题至关重要。即使是低成本的连接方案，也需要为防止常见的安全威胁而提供保护措施，以确保客户物联网产品的硬件安全和软件安全。

低功耗蓝牙5.0（BluetoothLE5.0）可以在配网等方面提升终端用户体验，也有助于设备厂商对物联网设备进行诊断分析。

充足的内存（400KBSRAM+384KBROM）与低成本。对于物联网产品开发，芯片充足的可用内存与成本优势同样重要。芯片内存受限的情况下，设备的内存优化与管理对厂商来说都是极大的挑战。

ESP32-C3搭载RISC-V32位单核处理器，时钟频率高达160MHz，内置400KBSRAM，集成了2.4GHzWi-Fi和支持长距离的BluetoothLE5.0，具有行业领先的射频性能和低功耗。它具有22个可编程GPIO管脚，支持ADC、SPI、UART、I2C、I2S、RMT、TWAI和PWM。

ESP32-C3功能框图：

接下来，会详述ESP32-C3的几项关键优势：

安全性

对物联网设备的攻击通常指的是：

窃取敏感数据

对设备进行未授权控制

窃取设备身份，继而对设备云进行未授权访问

攻击物联网设备的方式多样：可以利用软件和协议漏洞进行远程攻击；也可以通过直接访问flash和“故障注入”进行物理攻击。随后，在设备上安装恶意固件作为默认固件，使攻击永久进行。

物联网设备必须提供充分的保护措施以防止各类恶意攻击。ESP32-C3具有完善的安全机制，能够有效抵抗上述威胁：

安全启动：

ESP32-C3使用基于RSA-3072的标准身份验证方案，确保在设备上运行受信任的应用程序。该功能可阻止设备运行烧录在flash中的恶意程序。安全启动需要快速高效地进行，以满足即时启动设备（如球泡灯）的需求，ESP32-C3的安全启动方案仅在设备启动过程中增加了不到100ms的时间开销。

Flash加密：

ESP32-C3使用基于AES-128-XTS算法的flash加密方案，确保应用程序与配置数据在flash中保持加密状态。flash控制器支持执行加密的应用程序固件，这不仅为存储在flash中的敏感数据提供了必要保护，还防止了运行时由于固件更改造成的TOCTTOU（time-of-check-to-time-of-use）攻击。

数字签名和HMAC外设：

ESP32-C3的数字签名外设可以通过固件不可访问的私钥生成数字签名。同样地，其HMAC外设也可以生成固件不可访问的加密摘要。目前，大多数物联网云服务使用基于X.509证书的身份验证，数字签名外设保护了定义设备身份的私钥。这样一来，即使出现软件漏洞，它也能为设备身份提供强大的保护。

世界控制器模块：

ESP32-C3新增了世界控制器模块，该模块提供了两个互不干扰的执行环境。根据配置，世界控制器使用可信执行环境（TEE）或权限分离机制。如果应用程序固件需要处理敏感的安全数据（如DRM服务），则可以利用世界控制器模块，在安全区域处理数据。

支持长距离的BluetoothLE5.0

物联网设备通常使用Wi-Fi连接到云服务，但是只具有Wi-Fi功能的设备会对配网带来一定困难：它们无法向配网程序提供可靠的配置反馈；同时，IOS和Android配网程序在连接网络时也会产生额外的复杂性。然而，BluetoothLE使设备配网变得很简单，BluetoothLE在本地环境中也很容易被发现并进行控制。

BluetoothLE协议的早期版本，传输距离比较短，不适用于在大型空间内实现本地点对点直接控制。ESP32-C3增加了对BluetoothLE5.0协议的支持，包含CodedPHY（LongRange）和扩展广播（extendedadvertisement）功能。它通过引入FEC编解码等技术，虽然增加了数据冗余度，但是大幅度增加了设备通信距离（通常为100米）。此外，ESP32-C3还支持蓝牙Mesh（BluetoothMesh）协议，这使它成为了控制本地网络设备，以及直接与其他BluetoothLE5.0传感器设备进行通信的强大候选设备之一。

充足的内存

不同的应用场景对内存的需求不尽相同，因此很难定义一颗SoC最合适的内存大小。根据我们的经验，在保持BluetoothLE工作状态下，用户通常需要用一到两个TLS链接连接云端，同时还要保留合理的空间供应用程序使用。ESP32-C3的内置400KBSRAM不仅满足了这些需求，而且芯片成本也控制在合理的预算范围内。此外，ESP32-C3具有用于指令（IRAM）和数据（DRAM）存储的动态分区，使可用内存被有效地最大化。还需注意的是，与ESP32相比，我们对蓝牙子系统的内存使用进行了优化，更多细节将在新版本ESP-IDF发布时提供。

成熟的软件支持

ESP32-C3沿用乐鑫成熟的物联网开发框架ESP-IDF。物联网设备所使用的软件，很大一部分都由与硬件相对独立的软件组件构成。而ESP-IDF已成功赋能了数以亿计的物联网设备，并历经了严格的测试和发布周期。开发人员基于ESP-IDF成熟的软件架构，凭借对API和工具的熟悉，将更容易构建ESP32-C3应用程序。此外，基于ESP-IDF的软件组件（如云代理）无需任何更改，就可以直接在ESP32-C3上使用。

ESP32-C3也支持在从机模式下工作，通过ESP-AT和ESP-HostedSDK为外部主机微控制器和微处理器提供Wi-Fi与BluetoothLE连接功能。

ESP32-C3成本对标ESP8266。为简化客户端硬件设计，它还有一款内置flash的子型号ESP32-C3F。此外，我们还为用户提供一系列全面通过各项认证的低成本模组，以方便用户构建物联网设备。ESP32-C3-MINI-1模组尺寸小巧（13×19mm），可支持最高工作温度105℃。ESP32-C3-WROOM-1模组也支持105℃的最高工作温度，它还与ESP-WROOM-02D和ESP-WROOM-02模组引脚兼容，方便用户升级到ESP32-C3。

综上所述，ESP32-C3专为常见的物联网应用场景设计。同时，启明云端作为乐鑫科技最大的代理商合作伙伴，会和乐鑫科技一起，持续开发新的解决方案，满足产业多样化的物联网应用需求。