ESP32-S3 N16R8模组IO35-37引脚使用陷阱与硬件设计分析

在基于ESP32-S3-WROOM-1-N16R8模组的嵌入式开发中，配置GPIO引脚连接按钮是常见操作。然而，若错误地使用了IO35、IO36、IO37这三个引脚，则可能导致系统在启动后反复触发看门狗复位，陷入无限重启的困境。

起初，我在设计按钮功能时，将其中一个按钮配置在了GPIO37上。程序编译下载后，设备不断重启，并伴随看门狗错误，调试过程花费了大量时间。

以下是最初引发问题的简化示例代码，其目的是在GPIO37上初始化一个按钮，并注册单击回调函数。

#include <stdio.h>
#include "freertos/FreeRTOS.h"
#include "freerto/task.h"
#include "driver/gpio.h"
#include "iot_button.h"
#include "esp_log.h"

#define TAG "Button"
#define BUTTON_GPIO       GPIO_NUM_37

static void button_click_handler(void *handle, void *usr_data) {
    ESP_LOGI(TAG, "test ok");
}

void app_main(void) {
    // ... 芯片信息打印等初始化代码 ...

    /* 初始化按钮 */
    button_handle_t button_handle_ = NULL;
    button_config_t button_config = {
        .long_press_time = 2000,
        .short_press_time = 100
    };
    button_gpio_config_t gpio_config = {
        .gpio_num = BUTTON_GPIO,
        .active_level = 0,
    };

    // 此调用在特定引脚上会导致冲突
    ESP_ERROR_CHECK(iot_button_new_gpio_device(&button_config, &gpio_config, &button_handle_));
    ESP_LOGI(TAG, "Button device created on GPIO %d", BUTTON_GPIO);

    iot_button_register_cb(button_handle_, BUTTON_SINGLE_CLICK, button_click_handler, NULL);

    while(1) {
        vTaskDelay(1000 / portTICK_PERIOD_MS);
    }
}

代码本身逻辑并无错误，问题根源在于硬件引脚的功能限制。在模组的引脚定义图中，可以清晰地看到IO35、IO36、IO37旁标注了特殊的“小b”记号。

引脚定义表中的IO35-IO37标注

这个问题与网络协议栈或底层系统资源配置紧密相关。对于 ESP32-S3-WROOM-1-N16R8 这个特定型号，其命名规则揭示了关键信息：

• N16：代表16MB Flash。
• R8：代表集成8MB PSRAM。

根据ESP32-S3的技术参考手册，在集成了OSPI PSRAM（即R系列）的模组中，引脚IO35、IO36、IO37在硬件上被永久性连接到内部的PSRAM芯片，用于高速通信。这是物理层的连接，无法通过软件更改或复用。

官方技术文档的管脚定义表也明确列出了这三个引脚的功能。

技术文档中明确IO35-IO37用于连接PSRAM

问题发生机制分析

1. 上电初始化：系统Bootloader启动时，需要通过OSPI接口（使用这些引脚）初始化并读取外部Flash和PSRAM。
2. 软件配置冲突：用户程序随后将IO35-IO37中的某个引脚初始化为GPIO输入模式（例如按钮检测），这会改变引脚的电气特性和功能。
3. 硬件访问冲突：当CPU或DMA后续尝试访问PSRAM时，由于引脚功能被篡改，OSPI通信链路失效，导致读取指令或数据失败。
4. 系统崩溃：访问内存失败会触发非法指令或存储访问错误，最终导致看门狗定时器超时，系统复位，从而形成无限重启循环。

总结与建议

此次经历凸显了嵌入式开发中深入阅读硬件手册的重要性。ESP32-S3 R8/R16系列模组将IO35、IO36、IO37固定用于PSRAM，这是一个必须遵守的硬件设计限制。

解决方案：

1. 立即规避：在ESP32-S3-R8或-R16模组上，绝对不要将IO35、IO36、IO37用于任何GPIO、ADC、PWM等外设功能。
2. 引脚选择：改用其他可自由使用的GPIO引脚连接按钮等外设。
3. 型号注意：如果项目不需要大容量PSRAM，可以考虑选用不带“R”（即无PSRAM）的ESP32-S3模组，这些引脚便可释放使用。

在复杂的系统设计中，理解和规避此类硬件层面的冲突是保障稳定性的基础，这与在服务器运维中合理配置资源避免冲突是相通的。开发者务必在项目初期核对所选芯片型号的具体数据手册，明确其所有外设引脚的复用限制，避免陷入类似的“坑”中。