ESP32 Bit Pirate trasforma una scheda ESP32-S3 in un laboratorio hardware completo

Un chip ESP32-S3 può diventare molto più di uno strumento elettronico per realizzare progetti IoT. Con ESP32 Bit Pirate, firmware open source ispirato allo storico Bus Pirate, lo stesso microcontrollore si trasforma in uno strumento da banco capace di analizzare bus digitali, comunicare con periferiche, leggere memorie, intercettare transazioni, pilotare GPIO e automatizzare sequenze di test.

L’idea è particolarmente interessante perché riduce la distanza tra il classico laboratorio embedded e il browser. Una volta installato il firmware, si può lavorare attraverso una normale connessione seriale USB, utilizzare una CLI (command-line interface) via Wi-Fi oppure servirsi degli strumenti Web Serial messi a disposizione dal progetto. Non bisogna quindi necessariamente installare un’applicazione specifica sul PC per iniziare.

ESP32 Bit Pirate gestisce I2C, SPI, UART, 1-Wire, JTAG, SWD, CAN e numerose altre interfacce; aggiungendo l’hardware necessario, è possibile scambiare dati via Bluetooth, Wi-Fi, Sub-GHz, RFID, RF24, LoRa, infrarossi e altre tecnologie radio. Non è un sostituto universale di oscilloscopio, analizzatore logico e programmatori professionali, ma rappresenta un interessante coltellino svizzero per sviluppo embedded, diagnostica e reverse engineering autorizzato.

Da Bus Pirate a ESP32 Bit Pirate

Bus Pirate ha reso popolare l’idea di un dispositivo capace di “parlare numerosi protocolli” hardware senza costringere lo sviluppatore a preparare ogni volta un microcontrollore e un firmware dedicati.

ESP32 Bit Pirate riprende quel principio sfruttando le capacità dell’ESP32-S3 e aggiungendo un’interfaccia software molto più ampia. Il repository ufficiale elenca oltre 20 modalità operative: I2C, SPI, UART e UART half-duplex, 1-Wire, 2-Wire, 3-Wire, GPIO digitali, infrarossi, USB, Bluetooth, Wi-Fi, Ethernet, JTAG, I2S, CAN, Sub-GHz, RFID, RF24, FM, comunicazioni cellulari, LoRa e altre ancora.

Non tutte queste funzioni sono disponibili collegando quattro fili a una qualsiasi scheda ESP32. Alcune richiedono transceiver, moduli radio o periferiche aggiuntive, ad esempio CC1101 per determinate attività Sub-GHz o hardware specifico per RFID.

Il vero punto di forza risiede nell’architettura modulare: la stessa interfaccia di comando permette di passare da un’attività all’altra senza riprogettare ogni volta il banco di prova.

Cosa si può fare concretamente

Su un circuito di cui non si conoscono ancora bene componenti e collegamenti, ESP32 Bit Pirate può aiutare a capire come comunicano tra loro i vari chip.

Uno dei casi più comuni riguarda I2C, un bus digitale molto diffuso per collegare sensori, memorie, display, convertitori e altri circuiti integrati usando soltanto due linee di comunicazione: SDA, che trasporta i dati, e SCL, che fornisce il segnale di clock.

Se si individuano queste due linee sulla scheda e si collegano correttamente all’ESP32, è possibile effettuare una scansione del bus: ESP32 Bit Pirate prova uno dopo l’altro i possibili indirizzi I2C e verifica quali dispositivi rispondono. Se, ad esempio, compare una periferica all’indirizzo 0x50, significa che su quel bus esiste almeno un componente raggiungibile a quell’indirizzo. A quel punto si può cercare di identificarlo e leggere i suoi registri, cioè piccole aree di memoria attraverso le quali un circuito espone informazioni sul proprio stato o riceve configurazioni. Nel caso di un sensore, un registro potrebbe contenere la temperatura misurata; in un controller, invece, potrebbe indicare lo stato di un ingresso o di una funzione interna. Osservando come questi valori cambiano mentre si preme un pulsante, si muove un sensore o si modifica una condizione del dispositivo, si può ricostruire parte del suo funzionamento.

Individuare dispositivi, segnali e console seriali

Un altro scenario frequente riguarda UART, una comunicazione seriale molto semplice che molti dispositivi embedded utilizzano per diagnostica, configurazione o messaggi di avvio. Router, schede di sviluppo, apparati IoT e numerosi altri dispositivi possono esporre sulla scheda alcuni pin collegati alla UART, tipicamente TX, che trasmette i dati, RX, che li riceve, e GND, la massa comune.

Il problema è che spesso non si conosce a priori la velocità della comunicazione. Il baud rate indica proprio questa velocità ed è espresso, per esempio, con valori come 9.600, 115.200 o 921.600 baud. ESP32 Bit Pirate può aiutare a individuare un valore compatibile e a visualizzare ciò che il dispositivo trasmette. Se si tratta di una console diagnostica, sul PC potrebbero così apparire messaggi relativi all’avvio del sistema, allo stato dell’hardware o agli errori rilevati dal firmware.

ESP32 Bit Pirate può inoltre funzionare come bridge UART, cioè come intermediario tra il computer e il dispositivo. I byte ricevuti dal PC sono inoltrati sulla linea seriale e quelli provenienti dal dispositivo sono riportati al computer. In questo modo ESP32 svolge un ruolo simile a quello di un comune adattatore USB-UART, ma all’interno dello stesso strumento utilizzato anche per gli altri protocolli.

Leggere registri e memorie senza firmware dedicato

Con SPI, invece, si entra spesso nel territorio delle memorie presenti direttamente sulla scheda. SPI è un altro protocollo seriale, generalmente più veloce di I2C, che utilizza più linee: tipicamente un clock, una linea per i dati inviati dal controller, una per quelli ricevuti e uno o più segnali Chip Select per scegliere il componente con cui comunicare.

Molti dispositivi utilizzano SPI per collegare memorie EEPROM o flash che conservano configurazioni, dati oppure, in alcuni casi, parte del firmware. ESP32 Bit Pirate può inviare a queste memorie i comandi previsti dal produttore e analizzarne le risposte. Un esempio classico è il comando usato per leggere il JEDEC ID, un identificativo standard che permette di ricavare informazioni sul produttore e sul modello della memoria.

Una volta riconosciuto il chip e verificati collegamenti e parametri, è possibile anche **leggerne il contenuto** e salvarne una copia. Non significa necessariamente comprendere subito ciò che si trova all’interno: il risultato può essere un insieme di byte grezzi contenenti firmware, configurazioni, tabelle o altri dati. Tuttavia, disporre di un dump consente di effettuare analisi successive e, soprattutto, di creare una copia di sicurezza prima di qualunque eventuale operazione di modifica.

Il firmware include scanner, sniffer, strumenti per EEPROM e flash, acquisizione logica, bridge, accesso ai registri e funzioni di programmazione. Espressif descrive ESP32 Bit Pirate come un vero “multi-protocol workbench“, ovvero un banco da lavoro multiprotocollo costruito attorno al chip ESP32-S3.

Un elemento interessante è che i comandi non devono necessariamente essere impartiti uno alla volta: possono essere concatenati, ripetuti e intervallati da ritardi. Ad esempio, la sintassi prevista dal progetto consente sequenze del tipo:

m dio || read 1 || set 1 LOW || delayms 1 || set 1 HIGH

oppure:

repeat 5 scan

Si possono quindi creare piccoli test senza scrivere immediatamente uno script esterno.

Quale ESP32 serve

Il requisito più importante è utilizzare ESP32-S3 con almeno 8 MB di memoria flash. La PSRAM non è obbligatoria.

Tra le piattaforme supportate figurano ESP32-S3 DevKit, M5Stack Cardputer, AtomS3, StampS3 e vari dispositivi LILYGO, Heltec, Seeed Studio e Waveshare. Il firmware può funzionare anche su altre schede ESP32-S3 compatibili, ma in tal caso occorre prestare particolare attenzione alla disposizione dei pin: il firmware compilato per la DevKit potrebbe infatti utilizzare GPIO differenti rispetto a quelli effettivamente esposti dalla propria scheda.

Per chi vuole semplicemente sperimentare, una ESP32-S3 DevKit con almeno 8 MB di flash è probabilmente il punto di partenza più lineare.

Servono poi alcuni cavetti Dupont e, per lavorare comodamente sulle schede già assemblate, sono molto utili piccoli ganci o sonde di test. Il progetto cita anche cavi Grove-Dupont e Qwiic-Dupont tra gli accessori utilizzabili.

Come installare ESP32 Bit Pirate dal browser

Una delle parti più riuscite del progetto è il Web Flasher: si collega la scheda al PC con un cavo USB dati, si apre il Web Flasher, si seleziona il modello corretto e si autorizza il browser ad accedere alla porta seriale.

È importante utilizzare un vero cavo USB dati: un cavo destinato soltanto alla ricarica può alimentare l’ESP32 senza far comparire alcuna porta seriale. Bisogna inoltre chiudere terminali, IDE e altre schede del browser che potrebbero avere già aperto la stessa porta.

Con una ESP32-S3 DevKit, se la procedura automatica non riesce a entrare nel bootloader, la documentazione suggerisce di usare la porta destinata alla programmazione e mantenere premuto il pulsante BOOT mentre si alimenta o si resetta la scheda. Altri dispositivi hanno combinazioni differenti.

Dopo il flashing basta riavviare la scheda e collegarsi al terminale.

I primi comandi da provare

La CLI segue una struttura volutamente semplice. Il comando mode oppure m mostra la scelta delle modalità disponibili.

È anche possibile passare direttamente a una modalità: m i2c oppure m uart

Il comando help mostra le funzioni disponibili nel punto in cui ci si trova. È una buona abitudine utilizzarlo frequentemente perché i comandi cambiano a seconda del protocollo selezionato.

Nel caso, ad esempio, di un bus I2C, il comando scan prova gli indirizzi I2C compresi tra 1 e 126 e segnala quelli dai quali riceve un ACK. In pochi secondi è quindi possibile capire se sul bus sono presenti sensori, EEPROM, controller o altri circuiti integrati.

Trovato, ad esempio, un dispositivo all’indirizzo 0x50, si può verificarne la presenza con ping 0x50 e tentare di identificarlo con identify 0x50.

La modalità I2C permette inoltre di leggere registri read 0x50, eseguire un dump con dump 0x50 e osservare passivamente il traffico con sniff.

Ci sono funzioni ancora più interessanti per il debugging: monitor controlla le variazioni nei registri di un dispositivo, mentre recover tenta di liberare un bus I2C rimasto bloccato inviando impulsi di clock e una condizione STOP.

Automatizzare tutto con Python

La parte forse più potente emerge quando un’operazione non deve essere eseguita una sola volta. Il progetto mette a disposizione il pacchetto Python bit-pirate. L’installazione avviene con:

python -m pip install bit-pirate

Un piccolo script può quindi collegarsi automaticamente con il chip ESP32, attivare I2C ed eseguire un’operazione di scansione:

from bitpirate import BitPirate

bp = BitPirate.auto_connect()
bp.start()
bp.change_mode("i2c")
bp.send("scan")
bp.wait()
print(bp.receive())
bp.stop()

È lo stesso esempio proposto dalla documentazione ufficiale per mostrare quanto sia semplice trasferire una procedura interattiva dentro uno script. Da qui si possono costruire test ripetibili: collegare una scheda appena assemblata, verificare automaticamente la presenza delle periferiche I2C previste, leggere alcuni registri, controllare determinati GPIO e produrre un log.

Grazie al Python Lab eseguibile nel browser, basato su Pyodide e Web Serial, il codice Python gira nella pagina e comunica direttamente con ESP32 Bit Pirate. I dettagli tecnici sono nella documentazione del progetto.

Molto più di un adattatore multiprotocollo

Il valore di ESP32 Bit Pirate non sta soltanto nel numero di protocolli supportati, ma nel fatto che uno stesso dispositivo può accompagnare quasi tutta la fase iniziale di analisi di una scheda elettronica: individuare periferiche, osservare le comunicazioni, leggere registri e memorie, aprire una console seriale, automatizzare prove ripetitive e acquisire segnali digitali.

Il progetto può comportarsi anche come un analizzatore logico compatibile con il protocollo SUMP, esponendo fino a otto canali digitali utilizzabili con strumenti come PulseView, sigrok-cli e il Web Logic Analyzer del progetto. È una funzione utile, ad esempio, per controllare il timing di una comunicazione SPI o I2C, osservare una UART o verificare un protocollo realizzato via software. Non sostituisce un analizzatore logico professionale, ma permette di passare dalla semplice interrogazione del bus all’osservazione temporale dei segnali senza cambiare strumento.

C’è poi un aspetto elettrico che non va sottovalutato. Collegare direttamente una ESP32-S3 a una scheda sconosciuta senza verificare i livelli di tensione può danneggiare l’hardware. Per questo è stata sviluppata anche la ESP32 Bit Pirate Dock, una carrier board open hardware che integra la conversione bidirezionale dei livelli e consente di lavorare a 1,8 V, 3,3 V o 5 V. La Dock espone inoltre un connettore a 10 pin compatibile con sonde e accessori nati per Bus Pirate, rendendo il sistema più adatto a un utilizzo continuativo sul banco di lavoro.

Un progetto complementare, ESP32 Bus Expander, permette di affiancare un ESP32-C5 collegato via UART e aggiungere il Wi-Fi a 5 GHz; gli sviluppatori indicano anche Zigbee, Thread e altre tecnologie basate su IEEE 802.15.4 tra le possibili estensioni future. L’ESP32-S3 rimane quindi il centro di controllo, mentre moduli aggiuntivi possono ampliare progressivamente le capacità hardware senza cambiare l’interfaccia con cui l’utente lavora.