GPIO & RTC GPIO
概述
ESP32 芯片具有 34 个物理 GPIO pad (焊盘)。某些 GPIO pad 既不能使用，在芯片封装上也没有相应的引脚(请参阅技术参考手册)。每个 pad 都可用作一个通用 IO，或连接一个内部的外设信号。IO_MUX、RTC IO_MUX 和 GPIO 交换矩阵用于将信号从外设传输至 GPIO pad。这些模块共同组成了芯片的 IO 控制。
注意：
- GPIO 6-11 通常用于 SPI flash。
- GPIO 34-39 只能设置为输入模式，没有软件上拉或下拉功能。
- 这 34 个物理 GPIO pad 的序列号为：0-19, 21-23, 25-27, 32-39。其中 GPIO 34-39 仅用作输入管脚，其他的既可以作为输入又可以作为输出管脚。
当 GPIO 被连接到 “RTC” 低功耗和模拟子系统时，还有单独的 “RTC GPIO” 支持。 这些引脚功能可在深度睡眠，超低功耗协处理器运行时或使用 ADC / DAC /等 模拟功能时使用。
下图描述了数字 pad(控制信号：FUNC_SEL、IE、OE、WPU、WDU 等)和 162 个外设输入以及 176 个外设输出信号(控制信号：SIG_IN_SEL、SIG_OUT_SEL、IE、OE 等)和快速外设输入／输出信号(控制信号：IE、OE 等)以及 RTC IO_MUX 之间的信号选择和连接关系。
- IO_MUX 中每个 GPIO pad 有一组寄存器。每个 pad 可以配置成 GPIO 功能(连接 GPIO 交换矩阵)或者直连功能(旁路 GPIO 交换矩阵，快速信号如以太网、SDIO、SPI、JTAG、UART 等会旁路 GPIO 交换矩阵以实现更好的高频数字特性。所以高速信号会直接通过 IO_MUX 输入和输出。)
- GPIO 交换矩阵是外设输入和输出信号和 pad 之间的全交换矩阵。
- 芯片输入方向：162 个外设输入信号都可以选择任意一个 GPIO pad 的输入信号。
- 芯片输出方向：每个 GPIO pad 的输出信号可来自 176 个外设输出信号中的任意一个。
- RTC IO_MUX 用于控制 GPIO pad 的低功耗和模拟功能。只有部分 GPIO pad 具有这些功能。
通过 GPIO 交换矩阵的外设输入
为实现通过 GPIO 交换矩阵接收外设输入信号，需要配置 GPIO 交换矩阵从 34 个 GPIO(0-19，21-23，25-27，32-39)中获取外设输入信号的索引号(0-18，23-36，39-58，61-90，95-124，140-155，164-181，190-195，198-206)。
输入信号通过 IO_MUX 从 GPIO pad 中读取。IO_MUX 必须设置相应 pad 为 GPIO 功能。这样 GPIO pad 的输入信号就可进入 GPIO 交换矩阵然后通过 GPIO 交换矩阵进入选择的外设输入。
通过 GPIO 交换矩阵的外设输出
为实现通过 GPIO 交换矩阵输出外设信号，需要配置 GPIO 交换矩阵将输出索引号为 0-18，23-37，61-121，140-215，224-228 的外设信号输出到 28 个GPIO (0-19, 21-23, 25-27, 32-33)。
输出信号从外设输出到 GPIO 交换矩阵，然后到达 IO_MUX。IO_MUX 必须设置相应 pad 为 GPIO 功能。这样输出 GPIO 信号就能连接到相应pad。
图3 所示为 176 个输出信号中的某一个信号通过 GPIO 交换矩阵到达 IO_MUX 然后连接到某个 pad。
IO_MUX 的直接 I/O 功能
快速信号如以太网、SDIO、SPI、JTAG、UART 等会旁路 GPIO 交换矩阵以实现更好的高频数字特性。所以高速信号会直接通过 IO_MUX 输入和输出。
这样比使用 GPIO 交换矩阵的灵活度要低，即每个 GPIO pad 的 IO_MUX 寄存器只有较少的功能选择，但可以实现更好的高频数字特性。
为实现外设I/O 旁路GPIO 交换矩阵必须配置两个寄存器：
- GPIO pad 的 IO_MUX 必须设置为相应的 pad 功能，表1列出了 pad 功能。
- 对于输入信号，必须置位 SIG_IN_SEL 寄存器，直接将输入信号输出到外设。
RTC IO_MUX 的低功耗和模拟 I/O 功能
18 个 GPIO 管脚具有低功耗(低功耗 RTC)性能和模拟功能，由 ESP32 的 RTC 子系统控制。这些功能不使用 IO_MUX 和 GPIO 交换矩阵，而是使用 RTC_MUX 将 I/O 指向 RTC 子系统。
当这些管脚被配置为 RTC GPIO 管脚，作为输出管脚时仍然能够在芯片处于 Deep-sleep 睡眠模式下保持输出电平值或者作为输入管脚使用时可以将芯片从 Deep-sleep 中唤醒。
每个 pad 的模拟和 RTC 功能是由 RTC_GPIO_PINx 寄存器中的 RTC_IO_TOUCH_PADx_TO_GPIO 位控制的。此位默认置为1，通过 IO_MUX 子系统输入输出信号，如前文所述。
如果清零 RTC_IO_TOUCH_PADx_TO_GPIO 位，则输入输出信号会经过RTC 子系统。在这种模式下，RTC_GPIO_PINx 寄存器用于数字I/O，pad 的模拟功能也可以实现。
Light-sleep 模式管脚功能
当 ESP32 处于 Light-sleep 模式时管脚可以有不同的功能。如果某一 GPIO pad 的 IO_MUX 寄存器中 GPIOxx_SLP_SEL 位置为1，芯片处于 Light-sleep 模式下将由另一组不同的寄存器控制 pad。
如果 GPIOxx_SLP_SEL 置为0，则芯片在正常工作和 Light-sleep 模式下，管脚的功能一样。
Pad Hold 特性
每个 IO pad(包括 RTC pad)都有单独的 hold 功能，由 RTC 寄存器控制。pad 的 hold 功能被置上后，pad 在置上 hold 那一刻的状态被强制保持，无论内部信号如何变化，修改 IO_MUX 配置或者 GPIO 配置，都不会改变 pad 的状态。应用如果希望在看门狗超时触发内核复位和系统复位时或者 Deep-sleep 时 pad 的状态不被改变，就需要提前把 hold 置上。
- 对于数字 pad 而言, 若要在深度睡眠掉电之后保持 pad 输入输出的状态值，需要在掉电之前把寄存器 REG_DG_PAD_FORCE_UNHOLD 设置成0。对于 RTC pad 而言，pad 的输入输出值，由寄存器 RTC_CNTL_HOLD_FORCE_REG 中相应的位来控制 Hold 和 Unhold pad 的值。
- 在芯片被唤醒之后，若要关闭 Hold 功能，将寄存器 REG_DG_PAD_FORCE_UNHOLD 设置成1。若想继续保持 pad 的值，可把 RTC_CNTL_HOLD_FORCE_REG 寄存器中相应的位设置成1。
应用示例
GPIO 输出/输入中断示例:peripherals/gpio.