ESP32 C3やS3の内蔵USBのシリアル通信は最高10Mbit/s

背景

ESP32 C3やS3の内蔵USB回路でどの程度の速度で通信できるか気になったので試してみました。

1バイトずつ送信した結果としては、外付けのUSBシリアル通信を利用すると700Kbit/s台の通信速度となり、外付けUSBシリアルICを利用すると921.6Kbit/s設定で780Kbit/sになると分かりました。

備忘録を兼ねて試した内容を共有します。

10文字ずつ送信した場合10Mbit/s

10文字ずつ送信した場合にESP32のCDCの仕様（12Mbit/s）に近い10Mbit/sで送信可能と分かりました。
詳しくはコメント欄をご覧ください。

使ったもの

• ESP32にプログラムを書き込むPC + USBケーブル
  開発環境はplatformioを利用しました。
  
• M5StampC3
  USBシリアルICであるCH9102を介してUSB通信する方式のESP32C3開発ボードです。
• M5StampC3U
  内蔵USBシリアルにUSBコネクタが繋がっているESP32C3開発ボードです。
• M5AtomS3Lite
  内蔵USBシリアルにUSBコネクタが繋がっているESP32S3開発ボードです。
  M5StampS3でも同様です。
  

試したプログラム: 1,000文字（1KB）と10,000文字（10KB）の通信速度を表示するプログラム

「a」10,000文字をシリアル通信で送信する時間を計測するプログラムを利用して、通信速度を把握します。
通信速度はBAUDRATEというマクロでplatformio.iniで指定する想定です。

src/main.cpp

#include <Arduino.h>

void setup() { Serial.begin(BAUDRATE); }

void printKiloBytes(uint32_t kiloBytes) {
  auto start = millis();
  for (int i = 0; i < kiloBytes * 1000; ++i) {
    Serial.print("a");
  }
  Serial.println();
  Serial.flush();
  Serial.println(String(kiloBytes) + "K for " + String(millis() - start) + "ms");
}

void loop() {
  Serial.println("hello at " + String(millis()));
  printKiloBytes(10);
  delay(1000);
  printKiloBytes(1);
  delay(1000);
}

各ボードのplatformio.iniの設定はそれぞれの実験結果と共に共有します。

時間や速度の計算は1byte送信に10bit要する想定（1BytePerSec = 10bit/s）で実施

ArduinoのSerialの標準送信形式はdata 8bit、パリティ無し、1stop bitなので、1 start bit + 8 data bit + 1 stop bitの10bitを要します。

bit/sからbyteの送信時間を求める場合は
byte * 10 / bit/s = 送信時間
となります。

送信時間からbit/sを求める場合は上記の式を変換して
byte * 10 / 送信時間 = bit/s
です。

ESP32C3 外付けUSBシリアルICを使う: 設定速度に応じて速くなるものの921.6Kbit/s（実速度780Kbit/s）で頭打ち

下記の設定でmonitor_speedとBAUDRATEを変えて複数の通信速度を試しました。
シリアル通信で通信内容を確認するには通信速度に応じてmonitor_speedも同じ値にする必要があります。

platformio.ini

[env:stamp-c3]
platform = espressif32
framework = arduino
board = esp32-c3-devkitm-1
monitor_speed = 9600
build_flags =
  -D BAUDRATE=9600

各通信速度での実験結果はこちらです。

通信速度 (bit/s)	送信文字数 (Kbyte)	理論時間 (ms)	実測値 (ms)	実測値の通信速度 (bit/s)
9,600	1	1042	1043	9588
9,600	10	10426	10435	9583
115,200	1	86.8	87	114,942
115,200	10	868	869	115,074
921,600	1	10.8	13	769,230
921,600	10	108	128	781,250
4,000,000	1	2.5	13	769,230
4,000,000	10	25	128	781,250
4,500,000	プログラムが動きませんでした
5,000,000	プログラムが動きませんでした

921600bit/sまでは通信速度に比例して処理速度が上がりましたが、その後は変わりませんでした。
115,2Kbit/sまでは設定速度と実測値の違いは1%未満でしたが、921.6Kbit/sでは設定速度より15%ほど遅い実測値でした。
921.6Kbit/sより大きい設定値では40Mbit/s付近がが動作可能な設定値の上限でした。

M5StampC3U 内蔵USBシリアル: 設定速度に関係なく710Kbit/s前後

BAUDRATEを変えて処理時間を計測します。
ARDUINO_USB_CDC_ON_BOOTとARDUINO_USB_MODEを定義して内蔵USBでシリアル通信させます。
内蔵USBを使う場合はmonitor_speedを指定しなくてもログを受信可能です。

platformio.ini

[env:stamp-c3u]
platform = espressif32
framework = arduino
board = esp32-c3-devkitm-1
build_flags = 
  -D ARDUINO_USB_CDC_ON_BOOT
  -D ARDUINO_USB_MODE
  -D BAUDRATE=9600

各通信速度での実験結果はこちらです。

通信速度 (bit/s)	送信文字数 (Kbyte)	理論時間 (ms)	実測値 (ms)	実測値の通信速度 (bit/s)
9,600	1	1042	13~18	769,231~555,555
9,600	10	10426	137~142	729,927~704,225
115,200	1	86.8	13~18	769,231~555,555
115,200	10	868	137~142	729,927~704,225
921,600	1	10.8	13~18	769,231~555,555
921,600	10	108	137~142	729,927~704,225
4,000,000	1	2.5	13~18	769,231~555,555
4,000,000	10	25	137~142	729,927~704,225
1,000,000,000	1	0.01	13~18	769,231~555,555
1,000,000,000	10	0.1	137~142	729,927~704,225

最小限にまとめるとこうです。

通信速度 (bit/s)	送信文字数 (Kbyte)	理論時間 (ms)	実測値 (ms)	実測値の通信速度 (bit/s)
意味なし	1	-	13~18	769,231~555,555
意味なし	10	-	137~142	729,927~704,225

通信速度の設定に関係なく710Kbit/s前後の通信速度になりました。

M5AtomS3 内蔵USBシリアル: 設定速度に関係なく750Kbit/s前後

BAUDRATEを変えて処理時間を計測します。
ARDUINO_USB_CDC_ON_BOOTとARDUINO_USB_MODEを定義して内蔵USBでシリアル通信させます。
内蔵USBを使う場合はmonitor_speedを指定しなくてもログを受信可能です。

platformio.ini

[env:atom-s3-lite]
platform = espressif32
framework = arduino
board = esp32-s3-devkitc-1
build_flags = 
  -D ARDUINO_USB_CDC_ON_BOOT
  -D ARDUINO_USB_MODE
  -D BAUDRATE=9600

こうなりました。

通信速度 (bit/s)	送信文字数 (Kbyte)	理論時間 (ms)	実測値 (ms)	実測値の通信速度 (bit/s)
意味なし	1	-	13~18	769,231~555,555
意味なし	10	-	131~136	763,359~735,294

通信速度の設定に関係なく750Kbit/s前後の通信速度になりました。

余談: 内蔵USBシリアル回路はまだ不安定？

この記事の動作確認を行っている時に、内蔵シリアルを利用するC3とS3は時々USBポートをシリアルモニタで開けなくなりプログラムも書き込めない状態になりました。
USBを抜き差ししたりリセットボタンを押せば復帰しましたが、物理的な操作が必要になるのが気になりました。
大量の情報をシリアル通信でやり取りしつつリセット処理容易に行えないような装置を作る場合は、まだ外付けシリアルICに頼る方が安定しそうです。

不具合の再現条件をつかめていないのが不可解ではあります。

おわり

内蔵のUSBシリアル通信する場合は設定速度に関係なく1byteずつ送信すると700Kbit/s台、10byteずつ送信すると1Mbit/s（コメント欄参照）の通信速度となり、外付けUSBシリアルICで1byteずつ送信すると921.6Kbit/s設定で最高780Kbit/sになると分かりました。

内蔵USBシリアルを利用して10文字以上を送信した場合10Mbit/sとなり外付けUSBシリアルで通信可能な900Kbit/sに比べて10倍以上速くて嬉しいです。

参考

Arduino Serial
Basic Options - esptoo.py
ESP32C3の内蔵jtagを利用してubuntu上のvscodeでデバッグ

変更履歴

2023.03.27
10byteずつ送信した場合に10Mbit/sを記録したことを追記しました。詳しくはコメント蘭をご覧ください。
単位表記bpsをbit/sに変更しました。