ESP32 vs ESP32-S3: Spezifikationen, Leistung und welche Option wählen

Wenn Sie unsicher sind, ob Sie ein ESP32- oder ein ESP32-S3-Board für Ihr Projekt verwenden sollen, hilft Ihnen dieser Vergleich bei der Entscheidung. Obwohl die Namen ähnlich sind, kann die Wahl des falschen Boards zu Kompatibilitätsproblemen, zusätzlicher Entwicklungsarbeit und unnötigen Kosten führen. Die bessere Option hängt von den Anforderungen Ihres Projekts ab. Dieser Artikel vergleicht ihre praktischen Unterschiede, Leistung, Softwareunterstützung, veröffentlichte Projektbeispiele und wichtige Einschränkungen.

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Abbildung 1. ESP32- und ESP32-S3-Entwicklungsboards

Was sind ESP32- und ESP32-S3-Boards?

Die Begriffe ESP32-Board und ESP32-S3-Board beziehen sich auf Entwicklungsboards, die auf Espressif-Mikrocontrollern basieren. Sie sind keine Einzelboard-Modelle. Hersteller bieten verschiedene Versionen mit unterschiedlichen Modulen, Speicherkapazitäten, Anschlüssen und Pin-Layouts an.

Abbildung 2. ESP32-Entwicklungsboard

Was ist ein ESP32-Board?

Ein ESP32-Entwicklungsboard basiert auf einem originalen ESP32-Chip oder -Modul, wie dem ESP32-WROOM-32. Es kombiniert den drahtlosen Mikrocontroller mit unterstützenden Komponenten für Stromversorgung, Programmierung und Verbindung zu externen Schaltungen. Die Ein- und Ausgabepins sind normalerweise über Buchsen zugänglich, was das Board geeignet macht, um eingebettete Systeme, drahtlose Geräte und Projekte im Internet der Dinge zu entwickeln und zu testen.

Was ist ein ESP32-S3-Board?

Abbildung 3. ESP32-S3-Entwicklungsboard

Ein ESP32-S3-Entwicklungsboard basiert auf einem ESP32-S3-Chip oder -Modul. Der ESP32-S3 ist ein neuerer Mikrocontroller, der für drahtlose eingebettete Systeme, USB-Geräte, Schnittstellen zwischen Mensch und Maschine sowie Arbeitslasten, die Signalverarbeitung oder kleine Modelle des maschinellen Lernens betreffen, konzipiert wurde. Diese Boards bieten die unterstützenden Schaltungen, die benötigt werden, um den Mikrocontroller mit Strom zu versorgen, zu programmieren und mit externer Hardware zu verbinden. Die meisten verfügbaren GPIO-Pins sind über Buchsen zur Prototypenerstellung auf einem Steckbrett und zur Entwicklung kundenspezifischer Schaltungen zugänglich.

ESP32 vs ESP32-S3 Spezifikationen

Diese Tabelle vergleicht Chip-spezifische Spezifikationen. Flash, PSRAM, Anschlüsse, exposed GPIOs und Stromverbrauch variieren je nach Entwicklungsboard.

Funktionales Blockdiagramm

Abbildung 4. ESP32 Funktionales Blockdiagramm

Abbildung 5. ESP32-S3 Funktionales Blockdiagramm

Die offiziellen Blockdiagramme zeigen, welche Funktionen in jedem Chip integriert sind. Der originale ESP32 umfasst die Unterstützung von Bluetooth Classic, zwei DAC-Kanälen und einen Ethernet MAC, hat jedoch keinen nativen USB-Controller. Der ESP32-S3 fügt USB OTG, USB Serial/JTAG, GDMA, dedizierte parallele LCD- und Kamera-Schnittstellen sowie zusätzliche Sicherheitsblöcke wie HMAC, RSA-Digital-Signatur-Unterstützung und Berechtigungssteuerung hinzu. Sein LX7-Prozessor umfasst auch SIMD-Anweisungen, obwohl diese im Diagramm nicht separat gekennzeichnet sind. Der S3 enthält jedoch nicht den DAC oder den Ethernet MAC des originalen ESP32. Vergleichen Sie diese Hardwareblöcke sorgfältig, da fehlende Funktionen externe Komponenten oder Softwareänderungen erfordern können.

CPU- und Speicher-Leistung

Espressif berichtet 1.079,96 CoreMark für den Dual-Core ESP32 und 1.329,92 für den ESP32-S3, beide bei 240 MHz. Der ESP32-S3-Wert ist daher 23,1 % höher, obwohl dies nicht die gleiche Verbesserung in jeder Anwendung garantiert.

Der ESP32-S3 verwendet die neuere Xtensa LX7 Architektur und umfasst SIMD-Anweisungen für unterstützte Signalverarbeitungs- und Maschinenlernoperationen. Diese Anweisungen bieten einen Vorteil, wenn der Code oder die Bibliothek optimiert wurde, um sie zu verwenden.

Der ESP32 enthält 520 KB internen SRAM, während der ESP32-S3 512 KB enthält. Diese Gesamtzahlen sind nicht die Menge an SRAM, die einer Anwendung zur Verfügung steht, da Firmware, drahtlose Stacks, Caches und Systemdienste ebenfalls internen Speicher verwenden. Einige Boards fügen externes PSRAM hinzu, was die Kapazität erhöht, jedoch im Allgemeinen langsamer als interner SRAM ist und möglicherweise nicht jeden Datentyp oder jede Operation unterstützt.

Wi-Fi- und Bluetooth-Unterschiede

Beide Chips unterstützen 2,4 GHz IEEE 802.11b/g/n Wi-Fi mit einer angegebenen maximalen PHY-Rate von 150 Mbit/s. Dieser Wert garantiert keine Anwendungsdurchsatz. Tatsächliche Geschwindigkeit und Reichweite hängen von der Antenne, dem Boardlayout, Interferenzen, Hindernissen, Protokollüberhang und Zugangspunkt ab.

Abbildung 6. ESP32 und ESP32-S3 Wi-Fi- und Bluetooth-Unterschiede

Der Hauptunterschied ist die Bluetooth-Unterstützung. Der ESP32 unterstützt Bluetooth 4.2 BR/EDR und Bluetooth Low Energy, während der ESP32-S3 nur Bluetooth 5 Low Energy unterstützt. Der S3 bietet einen PHY von 2 Mbit/s, kodierte PHY-Modi und erweiterte Werbung. Allerdings kann er keine klassischen Bluetooth-Profile wie SPP und A2DP verwenden. Projekte, die von klassischem Bluetooth abhängen, müssen den ursprünglichen ESP32 verwenden oder auf BLE oder eine andere Kommunikationsmethode umsteigen.

Energieverbrauch und Laufzeitschätzung

Espressif listet typische Chip-Level-Werte von ungefähr 0,8 mA im Leichtschlaf und 10 µA im Tiefschlaf für den ESP32. Für den ESP32-S3 geht der angegebene Wert von 240 µA im Leichtschlaf davon aus, dass Wi-Fi und VDD_SPI abgeschaltet sind und die GPIOs sich in einem Hochimpedanzzustand befinden. Der Tiefschlafstrom beträgt ungefähr 8 µA, wenn RTC-Speicher und RTC-Peripheriegeräte mit Strom versorgt werden, oder 7 µA, wenn nur der RTC-Speicher mit Strom versorgt wird.

Diese Schlafstromwerte wurden unter unterschiedlichen Betriebsbedingungen gemessen und sind kein direkter Vergleich von Board zu Board. Sie schließen auch das gesamte Entwicklungsboard aus. Spannungsregler, USB-Brücken, Strom-LEDs, PSRAM und angeschlossene Komponenten können den Stromverbrauch erhöhen. Drahtlose Aktivitäten und die Aufwachzeit des Prozessors können ebenfalls einen viel größeren Einfluss auf die Batterielebensdauer haben als der Schlafstrom allein.

Eine einfache Schätzung ist:

Laufzeit in Stunden ≈ nutzbare Batteriekapazität in mAh ÷ durchschnittlicher Strom in mA

Beispiel: Eine 2.000 mAh Batterie, die ein System mit einem gemessenen durchschnittlichen Strom von 10 mA versorgt, bietet ungefähr 200 Stunden oder 8,3 Tage ideale Laufzeit vor den Verlusten durch Regler und Batterie.

Diese Formel geht davon aus, dass Kapazität und Strom auf derselben Spannungsseite gemessen werden. Reglerverluste, Batterieschneide-Spannung, Temperatur und Alterung verringern die nutzbare Kapazität. Für die zuverlässigste Schätzung sollte der durchschnittliche Batteriestrom während des normalen Schlaf-, Verarbeitungs- und drahtlosen Betriebszyklus des fertigen Systems gemessen werden.

USB-, GPIO- und Peripherie-Kompromisse

Die Entwicklungsboards ESP32 und ESP32-S3 sind nicht pin-kompatibel. Die Positionen der Header, die freigelegten GPIOs, Strapping-Pins, USB-Verbindungen und die für den Speicher reservierten Pins variieren je nach Board. Überprüfen Sie immer das genaue Board-Schema, bevor Sie vorhandene Verkabelungen übertragen.

ESP32 DevKitC V4 vs. ESP32-S3-DevKitC-1 Pinout-Unterschiede

Quellen: Espressifs offizieller ESP32-DevKitC V4-Leitfaden und ESP32-S3-DevKitC-1 v1.1-Leitfaden.

Arduino- und ESP-IDF-Kompatibilität

Sowohl der ESP32 als auch der ESP32-S3 werden offiziell vom Arduino-ESP32-Kern und ESP-IDF unterstützt. Wählen Sie in der Arduino IDE das richtige Board aus und konfigurieren Sie seine Flash-, PSRAM-, Partition- und USB-Einstellungen. Der grundlegende Quellcode für Wi-Fi, GPIO, UART, I²C und SPI kann oft wiederverwendet werden, aber das Programm muss für jedes Ziel separat kompiliert werden.

Wählen Sie in ESP-IDF das Ziel vor dem Erstellen aus:

• ESP32: idf.py set-target esp32

• ESP32-S3: idf.py set-target esp32s3

Die Quellcode-Kompatibilität garantiert keine Hardware-Kompatibilität. Die Board-Pin-Zuweisungen, Strapping-Pins, verfügbaren Speicher und integrierten Peripheriegeräte können sich unterscheiden. Eine Bibliothek kann für beide Ziele kompiliert werden, benötigt jedoch möglicherweise unterschiedliche Pin-Definitionen, Verkabelungen oder Konfigurationen. Code, der von chipspezifischer Hardware abhängt, muss ebenfalls geändert werden.

Bestätigen Sie immer, dass Drittanbieterbibliotheken die ausgewählte Chip- und Framework-Version unterstützen. Wenn die Kompatibilität direkt getestet wurde, verzeichnen Sie die genaue Version von Arduino-ESP32, die Version von ESP-IDF, das Board-Modell und die verwendeten Bibliotheksversionen. Fügen Sie keine Versionsnummern hinzu, es sei denn, diese Versionen wurden getestet.

Fallstudien zu realen Projekten

Fanariotis, Orphanoudakis und Fotopoulos (2024) verglichen ein ESP32 DevKit TTGO und das ESP32-S3-DevKitC-1 unter Verwendung von vier identischen ESP-DL-Modellen. Jeder Test verwendete einen Prozessor-Kern, eine 3,3 V Versorgung und ein Keysight 34465A Digitalmultimeter.

Bei demselben 32 KB Datencache benötigte das zweistufige Menschenmodell 419.556 µs auf dem ESP32 und 131.160 µs auf dem ESP32-S3. Ihre standby-abgezogenen Energiewerte betrugen 8,558 µWh und 3,166 µWh, respektive. Die Katzen Gesichtserkennung erforderte 146.592 µs und 3,277 µWh auf dem ESP32, verglichen mit 22.388 µs und 0,609 µWh auf dem ESP32-S3.

Abbildung 7. ESP32 vs. ESP32-S3 Maschinen-Lern Energievergleich. Quelle: Abbildung 5, Fanariotis, Orphanoudakis und Fotopoulos (2024)

Wie in der Abbildung gezeigt, verbrauchte der ESP32-S3 weniger Verarbeitungsenergie über alle vier Modelle hinweg, wenn SIMD/Vektor-Anweisungen verwendet wurden. Seine durchschnittliche Leistung war höher, aber die SIMD-Anweisungen schlossen die Inferenz viel schneller ab. Die Boards hatten jedoch unterschiedliche PSRAM-Konfigurationen, und die Tests schlossen Kameras und drahtlose Kommunikation aus. Die Anzahl der Versuche und die Messvariationen wurden ebenfalls nicht berichtet, sodass die Ergebnisse nur auf die getesteten Workloads zutreffen.

Welchen Chip sollten Sie wählen?

Entwicklungstafel Speicher, freiliegende Pins, USB-Ports und -Steckverbinder variieren. Überprüfen Sie das genaue Board-Schema, bevor Sie die endgültige Wahl treffen.

Technische Referenzen

• Espressif Systems. ESP32 Series-Datenblatt, Version 5.3, Juli 2026.

• Espressif Systems. ESP32-S3 Series-Datenblatt, Version 2.2, März 2026.

• Espressif Systems. Arduino-ESP32 Programmieranleitung.

• Espressif Systems. ESP-IDF Programmieranleitung: ESP32 Erste Schritte.

• Espressif Systems. ESP-IDF Programmieranleitung: ESP32-S3 Erste Schritte.

• Espressif Systems, Arduino-ESP32 Unterstützte SoCs.

• Fanariotis, A., Orphanoudakis, T., und Fotopoulos, V. (2024). “Reduzierung des Stromverbrauchs von Edge-Geräten zur Unterstützung von Ambient Intelligence-Anwendungen.” Information, 15(3), 161.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Ist der ESP32-S3 schneller als der ESP32?

Espressif berichtet von einem Dual-Core CoreMark-Score, der für den ESP32-S3 bei 240 MHz um 23,1 % höher ist. Die tatsächliche Verbesserung hängt jedoch von der Arbeitslast ab. Anwendungen, die für seine SIMD/Vektor-Anweisungen optimiert sind, können stärker profitieren, während andere Anwendungen einen geringeren Unterschied zeigen können.

2. Unterstützt der ESP32-S3 Bluetooth Classic?

Nein. Der ESP32-S3 unterstützt nur Bluetooth 5 Low Energy. Projekte, die Bluetooth Classic-Profile wie SPP oder A2DP erfordern, sollten den originalen ESP32 oder einen anderen kompatiblen Chip verwenden.

3. Können 5 V-Sensoren direkt an die GPIO-Pins von ESP32 und ESP32-S3 angeschlossen werden?

Nicht, wenn der Sensor ein 5 V-Signal ausgibt. Beide Geräte verwenden 3,3 V Logik, daher ist ein Spannungsteiler oder Pegelwandler für 5 V-Ausgaben erforderlich. Stellen Sie außerdem sicher, dass die I²C-Pull-up-Widerstände mit 3,3 V verbunden sind, nicht mit 5 V.

4. Kann ADC2 einen Sensor messen, während Wi-Fi aktiv ist?

ADC2 teilt sich Hardware-Ressourcen mit Wi-Fi auf beiden Chips. Der Zugriff auf ESP32 ADC2 kann blockiert werden, während die ADC2-Messungen des ESP32-S3 während des Wi-Fi-Betriebs fehlschlagen können. Verwenden Sie ADC1 für zuverlässige Messungen von Wi-Fi-verbundenen Sensoren.

5. Garantiert ein 12-Bit ADC genaue Spannungsmessungen?

Nein. Eine Auflösung von zwölf Bits bietet 4.096 Ausgabestufen, aber Rauschen, Referenzspannungsschwankungen, Dämpfung und Schaltungsdesign beeinflussen die Genauigkeit. Verwenden Sie ADC-Kalibrierung, Mittelwertbildung und Eingangsfilterung oder einen externen Präzisions-ADC, wenn die Messgenauigkeit wichtig ist.

6. Macht das Hinzufügen von PSRAM ein ESP32 oder ESP32-S3 schneller?

PSRAM erhöht die Speicherkapazität, ist aber im Allgemeinen langsamer als interner SRAM. Es ist nützlich für Kamerarahmen, Display-Puffer und maschinelles Lernen-Daten, während zeitkritischer Code, DMA-Beschreibungen und häufig verwendete Daten im internen Speicher verbleiben sollten.

7. Welcher Chip bietet eine stärkere Sicherheit für ein kommerzielles IoT-Produkt?

Beide unterstützen sicheren Boot und Flash-Verschlüsselung, aber der ESP32-S3 fügt Funktionen wie hardwareunterstützte digitale Signaturen, HMAC und verbesserte Speicherschutz hinzu. Diese Schutzmaßnahmen müssen richtig konfiguriert werden; die Wahl des S3 allein macht ein Gerät nicht sicher.