ESP32-C3 Mastering · 4/12

ESP32-C3 디지털 출력 — GPIO·LEDC·MCPWM 세 모드 비교

2026년 5월 20일 · Hawk · 7분 읽기

#한 줄 요약

“C3의 GPIO는 22개지만, GPIO Matrix 덕에 어떤 페리퍼럴 신호든 어떤 핀에든 라우팅할 수 있습니다.” LEDC는 부드러운 LED 제어(fade 하드웨어), MCPWM은 모터 제어(데드밴드, BLDC, 스테퍼)에 특화됩니다.

ESP32 계열의 가장 강력한 차별점이 바로 GPIO Matrix입니다. STM32에서는 USART2_TX는 PA2 또는 PD5처럼 AF table에 매핑된 핀만 사용할 수 있지만, C3에서는 UART1 TX를 GPIO0부터 GPIO21까지 어디든 보낼 수 있습니다. 보드 레이아웃이 훨씬 자유로워집니다.

이 장은 GPIO의 전기적 특성과 Matrix 동작을 먼저 정리하고, 디지털 출력의 세 가지 모드(GPIO direct, LEDC, MCPWM)를 비교합니다. 실습으로 RGB LED breathing과 서보 제어를 다룹니다.

#22개 GPIO — 무엇이 어디에

C3의 GPIO는 GPIO0부터 GPIO21까지 22개입니다. 모든 핀이 동등하지는 않습니다.

GPIO	특수 기능	부팅 시 주의
0~4	ADC1 ch0~4	GPIO2는 strapping
8, 9	strapping pin	boot mode 결정
12~17	내부 flash 연결	사용 금지
18, 19	USB Serial JTAG	디버거 사용 시 점유
20, 21	UART0 (default)	콘솔 출력용
5~~7, 10~~11	자유롭게 사용 가능	—

실질적으로 자유롭게 쓸 수 있는 GPIO는 약 12~14개입니다. 12~17은 플래시 SPI로 기판 안에서 라우팅되어 외부로 뽑을 수 없습니다.

#Strapping pins — GPIO2, GPIO8, GPIO9

부팅 직후 수십 µs 동안 이 핀들의 레벨이 읽혀 boot mode가 결정됩니다.

1
GPIO9 (BOOT)    GPIO8         부팅 모드
2
   HIGH         X             SPI flash boot (정상)
3
   LOW          HIGH          UART download mode (펌웨어 플래시)
4
   LOW          LOW           예약

회로 설계 시 외부 풀업/풀다운을 잘못 두면 부팅 자체가 안 됩니다. 보통:

GPIO9은 boot button용 풀업 + 버튼 풀다운
GPIO8은 LED indicator로도 자주 쓰지만 부팅 시 충돌 주의
GPIO2는 strapping이긴 하지만 외부 영향이 작아 자유롭게 쓰는 보드가 많음

#GPIO Matrix — 페리퍼럴 자유 매핑

GPIO Matrix는 256-input × 256-output crossbar switch입니다. 어떤 페리퍼럴 신호도 어떤 IO에 런타임에 매핑할 수 있습니다.

ESP32-C3 GPIO Matrix — 256 × 256 Crossbar

ESP-IDF가 이 매핑을 자동으로 합니다.

1
#include "driver/uart.h"
2

3
void setup_uart_on_gpio7_8(void) {
4
    uart_config_t cfg = {
5
        .baud_rate = 115200,
6
        .data_bits = UART_DATA_8_BITS,
7
        .parity = UART_PARITY_DISABLE,
8
        .stop_bits = UART_STOP_BITS_1,
9
        .flow_ctrl = UART_HW_FLOWCTRL_DISABLE,
10
    };
11
    uart_param_config(UART_NUM_1, &cfg);
12

13
    // TX=GPIO7, RX=GPIO8 (이론적으로 임의 핀)
14
    uart_set_pin(UART_NUM_1, 7, 8, UART_PIN_NO_CHANGE, UART_PIN_NO_CHANGE);
15
}

uart_set_pin의 두 번째/세 번째 인자가 TX/RX GPIO 번호입니다. STM32라면 AF table을 뒤져야 할 일이 한 줄로 끝납니다.

#직결 모드 — IO MUX 직접

매트릭스를 거치면 1 코어 클럭의 지연이 추가됩니다. 80 MHz 이상의 고속 SPI에서는 IO MUX 직결 모드가 필요합니다. 이 경우 정해진 페리퍼럴-핀 쌍만 가능합니다.

1
IO MUX 직결 모드 (default 매핑, 매트릭스 우회)
2
  SPI2 (FSPI):  CLK=GPIO6, MOSI=GPIO7, MISO=GPIO2, CS0=GPIO10

40 MHz 이하 SPI는 Matrix 경로로 충분합니다. 80 MHz를 노릴 때만 IO MUX 직결을 고집합니다.

#기본 GPIO 사용

가장 단순한 디지털 출력 코드입니다.

1
#include "driver/gpio.h"
2

3
#define LED_PIN GPIO_NUM_5
4

5
void app_main(void) {
6
    gpio_config_t cfg = {
7
        .pin_bit_mask = (1ULL << LED_PIN),
8
        .mode = GPIO_MODE_OUTPUT,
9
        .pull_up_en = GPIO_PULLUP_DISABLE,
10
        .pull_down_en = GPIO_PULLDOWN_DISABLE,
11
        .intr_type = GPIO_INTR_DISABLE,
12
    };
13
    gpio_config(&cfg);
14

15
    while (1) {
16
        gpio_set_level(LED_PIN, 1);
17
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));
18
        gpio_set_level(LED_PIN, 0);
19
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(500));
20
    }
21
}

여러 핀을 한꺼번에 설정하려면 pin_bit_mask에 비트로 OR합니다.

1
.pin_bit_mask = (1ULL << GPIO_NUM_5) | (1ULL << GPIO_NUM_6) | (1ULL << GPIO_NUM_7),

#Pull-up/down, open-drain, drive strength

옵션	사용처
`GPIO_PULLUP_ENABLE`	I2C SDA/SCL (외부 풀업이 없을 때만)
`GPIO_PULLDOWN_ENABLE`	floating input 방지
`GPIO_MODE_OUTPUT_OD`	open-drain (I2C, multi-master bus)
`gpio_set_drive_capability`	5/10/20/40 mA 단계

내부 풀업은 약 45 kΩ입니다. I2C에서 외부 4.7 kΩ에 비하면 약하므로 고속 통신에는 외부 풀업 필수입니다.

1
gpio_set_drive_capability(LED_PIN, GPIO_DRIVE_CAP_3);  // 40 mA

#GPIO interrupt

1
static void IRAM_ATTR button_isr(void *arg) {
2
    int gpio = (int)arg;
3
    xQueueSendFromISR(button_queue, &gpio, NULL);
4
}
5

6
void setup_button(void) {
7
    gpio_config_t cfg = {
8
        .pin_bit_mask = (1ULL << GPIO_NUM_9),
9
        .mode = GPIO_MODE_INPUT,
10
        .pull_up_en = GPIO_PULLUP_ENABLE,
11
        .intr_type = GPIO_INTR_NEGEDGE,    // 누름 = falling
12
    };
13
    gpio_config(&cfg);
14

15
    gpio_install_isr_service(0);
16
    gpio_isr_handler_add(GPIO_NUM_9, button_isr, (void *)GPIO_NUM_9);
17
}

gpio_install_isr_service는 공유 ISR dispatcher를 설치합니다. 각 핀별 핸들러를 gpio_isr_handler_add로 등록합니다. ISR 본문은 짧게, 본 작업은 큐로 task에 넘기는 것이 원칙입니다.

#LEDC — LED용 PWM

LEDC는 6 채널, 4 timer를 갖는 PWM 페리퍼럴입니다. fade 하드웨어가 있어 LED 밝기를 부드럽게 바꿀 수 있습니다.

#기본 설정 — 단일 LED

1
#include "driver/ledc.h"
2

3
#define LED_GPIO 5
4
#define LEDC_TIMER LEDC_TIMER_0
5
#define LEDC_CHANNEL LEDC_CHANNEL_0
6

7
void setup_ledc(void) {
8
    ledc_timer_config_t timer_cfg = {
9
        .speed_mode = LEDC_LOW_SPEED_MODE,
10
        .timer_num = LEDC_TIMER,
11
        .duty_resolution = LEDC_TIMER_13_BIT,
12
        .freq_hz = 5000,
13
        .clk_cfg = LEDC_AUTO_CLK,
14
    };
15
    ledc_timer_config(&timer_cfg);
16

17
    ledc_channel_config_t ch_cfg = {
18
        .speed_mode = LEDC_LOW_SPEED_MODE,
19
        .channel = LEDC_CHANNEL,
20
        .timer_sel = LEDC_TIMER,
21
        .intr_type = LEDC_INTR_DISABLE,
22
        .gpio_num = LED_GPIO,
23
        .duty = 0,
24
        .hpoint = 0,
25
    };
26
    ledc_channel_config(&ch_cfg);
27
}
28

29
void set_brightness(uint32_t duty) {
30
    // duty range: 0 ~ (2^13 - 1) = 0 ~ 8191
31
    ledc_set_duty(LEDC_LOW_SPEED_MODE, LEDC_CHANNEL, duty);
32
    ledc_update_duty(LEDC_LOW_SPEED_MODE, LEDC_CHANNEL);
33
}

13-bit resolution × 5 kHz는 대부분 LED에 충분합니다. 더 높은 resolution은 최대 주파수가 낮아집니다 (freq × 2^resolution ≤ src_clk).

Resolution	최대 주파수 (APB 80 MHz 기준)
8-bit	312.5 kHz
10-bit	78 kHz
13-bit	9.7 kHz
16-bit	1.2 kHz

#Fade 하드웨어 — 부드러운 breathing

1
#include "driver/ledc.h"
2

3
void breathe(void) {
4
    ledc_fade_func_install(0);
5

6
    while (1) {
7
        ledc_set_fade_with_time(LEDC_LOW_SPEED_MODE, LEDC_CHANNEL, 8191, 1000);
8
        ledc_fade_start(LEDC_LOW_SPEED_MODE, LEDC_CHANNEL, LEDC_FADE_WAIT_DONE);
9

10
        ledc_set_fade_with_time(LEDC_LOW_SPEED_MODE, LEDC_CHANNEL, 0, 1000);
11
        ledc_fade_start(LEDC_LOW_SPEED_MODE, LEDC_CHANNEL, LEDC_FADE_WAIT_DONE);
12
    }
13
}

CPU 개입 없이 하드웨어가 duty를 1 ms마다 갱신합니다. 멀티 LED breathing도 모두 백그라운드에서 진행됩니다.

#RGB LED breathing 실습

1
#define RED_GPIO   5
2
#define GREEN_GPIO 6
3
#define BLUE_GPIO  7
4

5
void setup_rgb(void) {
6
    ledc_timer_config_t timer = {
7
        .speed_mode = LEDC_LOW_SPEED_MODE,
8
        .timer_num = LEDC_TIMER_0,
9
        .duty_resolution = LEDC_TIMER_10_BIT,
10
        .freq_hz = 5000,
11
        .clk_cfg = LEDC_AUTO_CLK,
12
    };
13
    ledc_timer_config(&timer);
14

15
    int pins[] = {RED_GPIO, GREEN_GPIO, BLUE_GPIO};
16
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
17
        ledc_channel_config_t ch = {
18
            .speed_mode = LEDC_LOW_SPEED_MODE,
19
            .channel = i,
20
            .timer_sel = LEDC_TIMER_0,
21
            .gpio_num = pins[i],
22
            .duty = 0,
23
        };
24
        ledc_channel_config(&ch);
25
    }
26
    ledc_fade_func_install(0);
27
}
28

29
void set_rgb(uint16_t r, uint16_t g, uint16_t b) {
30
    ledc_set_fade_with_time(LEDC_LOW_SPEED_MODE, 0, r, 100);
31
    ledc_set_fade_with_time(LEDC_LOW_SPEED_MODE, 1, g, 100);
32
    ledc_set_fade_with_time(LEDC_LOW_SPEED_MODE, 2, b, 100);
33
    ledc_fade_start(LEDC_LOW_SPEED_MODE, 0, LEDC_FADE_NO_WAIT);
34
    ledc_fade_start(LEDC_LOW_SPEED_MODE, 1, LEDC_FADE_NO_WAIT);
35
    ledc_fade_start(LEDC_LOW_SPEED_MODE, 2, LEDC_FADE_NO_WAIT);
36
}

세 채널이 같은 timer를 공유합니다. 위상이 동기화되어 색 변화가 깔끔합니다.

#MCPWM — 모터 제어 PWM

MCPWM(Motor Control PWM)은 모터 드라이브를 염두에 둔 별도 페리퍼럴입니다. LEDC와 비교한 차이입니다.

항목	LEDC	MCPWM
용도	LED, buzzer, 단순 제어	BLDC, 스테퍼, 서보
채널	6	2 timer × 3 operator = 6
데드밴드 (dead-time)	없음	있음 (H-bridge 보호)
Fault detection	없음	있음 (현재 감지 시 자동 차단)
Sync between channels	약함	강함 (H-bridge 동기)
Carrier injection	없음	있음 (게이트 드라이버용)

C3의 MCPWM은 ESP32 원조보다 작지만 동일한 구조입니다.

#서보 모터 제어 예

표준 RC 서보는 50 Hz, 1~2 ms duty로 0~180도 회전합니다.

1
#include "driver/mcpwm_prelude.h"
2

3
#define SERVO_GPIO 8
4

5
#define SERVO_MIN_PULSEWIDTH_US 1000
6
#define SERVO_MAX_PULSEWIDTH_US 2000
7
#define SERVO_MAX_DEGREE 180
8

9
mcpwm_timer_handle_t timer = NULL;
10
mcpwm_oper_handle_t oper = NULL;
11
mcpwm_cmpr_handle_t comparator = NULL;
12
mcpwm_gen_handle_t generator = NULL;
13

14
void setup_servo(void) {
15
    mcpwm_timer_config_t timer_cfg = {
16
        .group_id = 0,
17
        .clk_src = MCPWM_TIMER_CLK_SRC_DEFAULT,
18
        .resolution_hz = 1000000,        // 1 MHz, 1 µs per tick
19
        .period_ticks = 20000,           // 20000 µs = 20 ms = 50 Hz
20
        .count_mode = MCPWM_TIMER_COUNT_MODE_UP,
21
    };
22
    mcpwm_new_timer(&timer_cfg, &timer);
23

24
    mcpwm_operator_config_t oper_cfg = { .group_id = 0 };
25
    mcpwm_new_operator(&oper_cfg, &oper);
26
    mcpwm_operator_connect_timer(oper, timer);
27

28
    mcpwm_comparator_config_t cmp_cfg = {
29
        .flags.update_cmp_on_tez = true,
30
    };
31
    mcpwm_new_comparator(oper, &cmp_cfg, &comparator);
32

33
    mcpwm_generator_config_t gen_cfg = {
34
        .gen_gpio_num = SERVO_GPIO,
35
    };
36
    mcpwm_new_generator(oper, &gen_cfg, &generator);
37

38
    // Timer 0이 되면 HIGH, comparator match에서 LOW
39
    mcpwm_generator_set_action_on_timer_event(generator,
40
        MCPWM_GEN_TIMER_EVENT_ACTION(
41
            MCPWM_TIMER_DIRECTION_UP,
42
            MCPWM_TIMER_EVENT_EMPTY,
43
            MCPWM_GEN_ACTION_HIGH));
44
    mcpwm_generator_set_action_on_compare_event(generator,
45
        MCPWM_GEN_COMPARE_EVENT_ACTION(
46
            MCPWM_TIMER_DIRECTION_UP,
47
            comparator,
48
            MCPWM_GEN_ACTION_LOW));
49

50
    mcpwm_timer_enable(timer);
51
    mcpwm_timer_start_stop(timer, MCPWM_TIMER_START_NO_STOP);
52
}
53

54
void set_servo_angle(int degree) {
55
    uint32_t us = SERVO_MIN_PULSEWIDTH_US +
56
        (degree * (SERVO_MAX_PULSEWIDTH_US - SERVO_MIN_PULSEWIDTH_US)) / SERVO_MAX_DEGREE;
57
    mcpwm_comparator_set_compare_value(comparator, us);
58
}

set_servo_angle(0) → 1 ms duty, set_servo_angle(180) → 2 ms duty가 나옵니다.

#BLDC를 위한 dead-time

H-bridge 모터 드라이버는 *high-side와 low-side가 동시에 켜지면 단락(shoot-through)*이 발생합니다. MCPWM은 transition마다 데드타임을 자동 삽입합니다.

1
mcpwm_dead_time_config_t dt_cfg = {
2
    .posedge_delay_ticks = 100,     // 100 ticks = 100 µs (1MHz resolution 기준)
3
    .negedge_delay_ticks = 100,
4
};
5
mcpwm_generator_set_dead_time(generator, generator, &dt_cfg);

데드타임 없는 PWM으로 H-bridge를 구동하면 FET 한 쌍이 즉시 폭발합니다. 모터 제어에서 가장 비싼 실수입니다.

#자주 하는 실수

#”부팅이 안 된다 — 보드를 만지면 시작된다”

GPIO9 strapping이 *부유 상태(floating)*인 경우입니다. 외부 풀업 10 kΩ을 반드시 답니다. 보드를 만질 때 정전기가 우연히 풀업을 흉내냅니다.

#”GPIO를 출력으로 설정했는데 신호가 안 나온다”

12~17 GPIO는 내부 flash SPI입니다. 패키지 핀에 물리적으로 연결되어 있지 않습니다. 데이터시트의 bonded pin 표를 확인합니다.

#”LEDC fade가 끊긴다”

ledc_set_duty + ledc_update_duty를 fade 진행 중에 호출하면 fade가 중단됩니다. fade 중에는 대기하거나 LEDC_FADE_NO_WAIT 모드의 완료 콜백에서 다음 동작을 호출합니다.

#”MCPWM gpio 출력이 toggling만 하고 PWM이 아니다”

generator의 action을 설정하지 않은 경우입니다. set_action_on_timer_event와 set_action_on_compare_event 둘 다가 필요합니다. 하나만 있으면 toggle만 됩니다.

#”GPIO Matrix로 매핑했는데 SPI가 80 MHz가 안 나온다”

Matrix 경로는 최대 40 MHz가 안전한 상한입니다. 80 MHz는 IO MUX 직결 핀에서만 보장됩니다. spi_bus_initialize에서 기본 핀 번호를 쓰면 자동으로 IO MUX 직결을 사용합니다.

#”fade가 1ms 이상으로 안 떨어진다”

ledc_set_fade_with_time의 최소 시간은 resolution × duty step에 비례합니다. 너무 짧으면 단계가 보이는 stair-step이 됩니다. 부드러운 fade는 최소 100 ms 이상을 권장합니다.

#정리

C3의 GPIO는 22개지만 12~~17은 flash SPI 점유로 사용 불가, 실질 자유 GPIO는 *약 12~~14개*입니다.
*Strapping pins (GPIO2, 8, 9)*은 부팅 시 boot mode를 결정하므로 풀업/풀다운을 신중히 설계합니다.
GPIO Matrix가 256×256 crossbar로 동작해 어떤 페리퍼럴 신호도 어떤 GPIO에든 라우팅 가능합니다.
80 MHz 이상 고속 신호는 IO MUX 직결 모드가 필수이고 기본 핀 번호를 그대로 쓰는 것이 안전합니다.
LEDC는 LED·buzzer·단순 PWM에 적합하며 6 채널 + fade 하드웨어로 멀티 LED breathing이 CPU 부하 없이 가능합니다.
MCPWM은 모터 제어 전용으로 데드타임·fault detection·동기 트리거를 제공해 BLDC와 스테퍼에 적합합니다.
서보 모터는 MCPWM 50 Hz + 1~2 ms duty로 0~180도 제어가 가능합니다.

#다음 장 예고

다음 편은 Ch 5: 시리얼 통신 4종 — UART·SPI·I2C·I2S입니다. DMA 활용과 polling vs 인터럽트 vs DMA 처리량·지연 비교를 다루고, SSD1306 OLED와 SD card 실습이 들어갑니다.

#관련 항목

Ch 3: 메모리 맵·플래시·SPIFFS/LittleFS
Ch 5: 시리얼 통신 4종 — UART·SPI·I2C·I2S
Ch 6: ADC·터치 센서
Modern Embedded Recipes Part 4.4: PWM 정확도
Practical RTOS Internals Part 2.4: GPIO ISR latency
원문 — ESP-IDF GPIO API
원문 — ESP-IDF MCPWM API