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这次我们来看一个很多做 HMI、串口屏、智能家居面板的人都会关心的问题：ESP32-S3 和 ESP32-P4 在屏幕刷新帧率上到底差多少。标题里的 S31 和 P4X，按板卡命名习惯，前者基本对应 ESP32-S3 系列，后者就是乐鑫新一代高性能 MCU ESP32-P4 系列。需要先说清楚：本文不会直接给一个“S3 是 30 帧、P4 是 60 帧”的通用结论，因为帧率受屏幕接口、分辨率、图形库、缓冲策略影响太大，脱离实测环境谈帧率没有意义。

这篇文章要做的事有两件：一是把两颗芯片在显示链路、CPU 主频、内存带宽、图形加速能力上的差异理清楚；二是给出一套可以自己在开发板上复现的帧率测量方法，包括 LVGL 环境搭建、GPIO 示波器测帧、不同分辨率/颜色深度/双缓冲组合下的对比思路。如果你正在纠结“到底用 S3 还是 P4 做下个产品”，这篇可以直接帮你减少试错成本。

先看一组核心规格差异，再往下拆。

1. 核心能力速览

补充说明：ESP32-P4 是乐鑫针对更高算力场景推出的芯片，主频、显示接口和图形加速能力明显高于 ESP32-S3。但“硬件规格高”不等于“LVGL 帧率一定翻倍”，因为帧率还取决于屏幕驱动方式、像素时钟、PSRAM 带宽和软件渲染路径。下面会具体展开。

2. 适用场景与使用边界

2.1 适合谁

• 做 3.5 寸到 10 寸 TFT 屏界面、串口屏、智能家居面板的嵌入式工程师。
• 在 ESP32-S3 上跑 LVGL 觉得刷新慢，想评估是否值得换 ESP32-P4。
• 需要同时处理屏幕显示、摄像头输入、传感器数据、蓝牙/Wi-Fi 联网的项目。
• 想用一套可复现的对比方法给团队做选型报告的人。

2.2 不适合谁

• 如果只是做个 1.3 寸 SPI 小屏显示温湿度，S3 和 P4 的差距对你没有实际意义。
• 如果目标是跑 Linux、做复杂 UI 或网页应用，应该看带 GPU 的 Linux SoC，而不是 MCU。
• 如果是纯低功耗电池设备，P4 的功耗通常高于 S3，需要按电池容量单独评估。

2.3 边界与合规提醒

如果项目里用到摄像头人脸检测、区域统计、人脸识别门锁、语音采集分析，注意两点：一是不能未经授权采集和存储他人生物特征信息；二是用于产品发布或商业项目时，要确认终端设备符合当地隐私、数据安全法律法规。HMI 涉及第三方 UI 素材、字体、图标时，也要确认授权，不能随便拿商业字库或设计稿直接打包进固件。

3. 影响帧率的核心因素拆解

MCU 屏幕刷新帧率不是单纯看“CPU 频率”，而是整条数据链路共同决定。拆开看主要有四层。

3.1 芯片算力层

CPU 主频决定了 LVGL 的对象布局、样式计算、事件处理、绘图指令生成的速度。ESP32-S3 是 240 MHz 双核，ESP32-P4 是 400 MHz 双核，理论上 P4 在纯 CPU 密集型渲染计算上更有优势。但 LVGL 的绘图指令最终要转换成像素写入，这部分往往卡在内存带宽上。

3.2 内存与 PSRAM 带宽层

大分辨率 RGB 屏幕通常需要把整个显示缓冲区放到 PSRAM 里。ESP32-S3 的 PSRAM 接口经过实际工程验证，在 16-bit RGB、800x480 分辨率下，如果不开双缓冲并且屏幕像素时钟调高，容易因为 PSRAM 带宽不足导致撕裂或刷新慢。ESP32-P4 的 PSRAM 带宽设计更强，同时对写入路径做了优化，高分辨率缓冲场景下压力更小。但这只是规格上的判断，具体提升幅度要实测。

3.3 屏幕接口层

这是影响帧率最直接的一层：

• SPI/QSPI 屏：受限于 SPI 时钟，普通 3.5 寸 SPI 屏刷新率往往只有 20 到 40 帧左右，分辨率越高，帧率越低。
• 8-bit/16-bit RGB 接口：需要 LCD 控制器硬件持续从显存搬数据，帧率取决于像素时钟 PCLK 和水平/垂直消隐区配置。
• MIPI-DSI：ESP32-P4 支持 MIPI-DSI 接口，这是 S3 相对不具备的常见能力。MIPI-DSI 的通道数多，时钟高，适合更高分辨率屏。

3.4 软件渲染层

LVGL 有几种刷新路径：

• 单缓冲：渲染完成后一次性刷屏，简单但容易闪烁。
• 双缓冲：两个缓冲交替写入，LVGL 在后台绘制下一帧，前台发送当前帧，流畅度更高，但内存占用翻倍。
• 部分刷新：LVGL 默认只更新脏区域，静态界面的实际刷新压力远小于连续动画。
• 硬件加速：如果底层适配了 P4 的 2D 加速器 PPA，图层混合、旋转、缩放出图会快很多。

所以，对比帧率前先要确定这四层的配置参数，否则测出来的只是“特定配置下的性能快照”，不是芯片能力的天花板。

4. 测试环境与硬件准备

要做可复现的帧率对比，建议准备以下设备：

4.1 硬件清单

屏幕的选择要优先保证接口类型一致。例如对比 RGB 接口刷新能力，就都接 16-bit RGB 屏；对比 SPI 屏，就都用同一款 SPI 屏。否则对比结果会被接口差异掩盖。

4.2 软件环境

推荐使用 ESP-IDF 环境，LVGL 用 v8.3 或 v9 手动移植。S3 也可以用 Arduino，但为了和 P4 保持同一框架，建议两边都用 ESP-IDF，减少框架差异带来的变量。

安装 ESP-IDF 的基本流程是：

# 以 Linux /macOS 为例，具体版本按官方文档安装 mkdir -p ~/esp cd ~/esp git clone --recursive https://github.com/espressif/esp-idf.git cd esp-idf ./install.sh esp32s3 ./install.sh esp32p4 source ./export.sh

Windows 下直接用乐鑫官方 ESP-IDF 安装器即可。P4 的 target 支持情况取决于 IDF 版本，建议使用发布较新的版本，并查看官方 release notes 确认支持状态。

4.3 屏幕接口接线注意事项

• SPI 屏接线：MOSI、SCLK、CS、DC、RST、BLK，加上地线和电源。
• RGB 屏接线：PCLK、HSYNC、VSYNC、DE、数据线，加上背光和电源。
• MIPI-DSI 屏：使用 P4 评估板对应的 DSI 接口，需要注意匹配屏供电电压、差分线阻抗。

接线错误会直接导致花屏或白屏，建议先用厂商给的初始化代码能点亮屏幕，再做帧率测量。

5. LVGL 移植与基础显示测试

5.1 建立最小工程

不管用哪个芯片，先建一个只有“Helloworld + LVGL 居中 Label”的工程，确认能正常显示。这一层不通过，后面帧率测试没有意义。

工程结构参考：

s3_fps_test/ ├── main/ │ ├── CMakeLists.txt │ ├── main.c │ ├── lv_port_disp.c │ └── lv_port_indev.c ├── components/ │ └── lvgl/ └── CMakeLists.txt

5.2 显示接口初始化示例

LVGL 的显示驱动注册逻辑类似，下面是一个框架示例，实际引脚和时序以你的屏幕规格为准：

#include "lvgl.h" #include "esp_lcd_panel_io.h" #define LCD_PCLK_HZ 16000000 // 需要按照屏幕规格调整 #define LCD_H_RES 480 #define LCD_V_RES 320 static lv_disp_draw_buf_t draw_buf; static lv_color_t buf1[LCD_H_RES * 60]; static lv_color_t buf2[LCD_H_RES * 60]; void lv_port_disp_init(void) { lv_disp_draw_buf_init(&draw_buf, buf1, buf2, LCD_H_RES * 60); static lv_disp_drv_t disp_drv; lv_disp_drv_init(&disp_drv); disp_drv.hor_res = LCD_H_RES; disp_drv.ver_res = LCD_V_RES; disp_drv.flush_cb = my_flush_cb; disp_drv.draw_buf = &draw_buf; lv_disp_drv_register(&disp_drv); } void lv_port_indev_init(void) { // 触摸或按键输入初始化，不涉及帧率时可以先留空 }

5.3 判断显示是否正常

编译下载后，屏幕上应该显示 LVGL 的基础控件，拖动或点击触摸屏事件能正常触发。如果出现花屏、闪烁、错位，优先检查：

• PCLK 频率和屏幕要求是否一致。
• RGB 数据线的位宽、颜色顺序设置。
• LVGL 颜色深度和屏幕驱动颜色格式是否匹配。
• PSRAM 是否启用，环境配置里是否定义了CONFIG_SPIRAM=y。

6. 帧率测量方法与实践

帧率测量的核心思路：在每次完成一帧刷新的时刻输出一个脉冲信号，用示波器或逻辑分析仪测这个脉冲的频率，就是实际帧率。这种方式比在代码里打印日志更准确，不会因为串口阻塞干扰时序。

6.1 GPIO 翻转法

在 LVGL 的flush_cb回调里加入 GPIO 翻转。每次刷新回调执行时，把测试引脚翻转一次。逻辑分析仪上看到的方法就是帧率频率。

#include "driver/gpio.h" #define FPS_TEST_GPIO GPIO_NUM_4 void fps_test_gpio_init(void) { gpio_config_t io_conf = { .pin_bit_mask = 1ULL << FPS_TEST_GPIO, .mode = GPIO_MODE_OUTPUT, .pull_up_en = GPIO_PULLUP_DISABLE, .pull_down_en = GPIO_PULLDOWN_DISABLE, .intr_type = GPIO_INTR_DISABLE, }; gpio_config(&io_conf); gpio_set_level(FPS_TEST_GPIO, 0); } void my_flush_cb(lv_disp_drv_t *drv, const lv_area_t *area, lv_color_t *color_p) { // 每次刷新调用时翻转 GPIO gpio_set_level(FPS_TEST_GPIO, !gpio_get_level(FPS_TEST_GPIO)); // 把 color_p 数据通过 SPI/RGB/DSI 接口写入屏幕 // ... // 通知 LVGL 刷新完成 lv_disp_flush_ready(drv); }

注意，这个方案测的是 LVGL 的flush_cb被调用的频率，不是屏幕硬件自刷新频率。对于 MCU 驱动屏场景，这就是用户实际感知到的帧率来源，所以用它做对比是合理的。

6.2 用定时器统计帧数

如果不想用示波器，也可以在 LVGL 的周期性lv_timer里统计刷新回调次数。

static uint32_t frames = 0; void my_flush_cb(lv_disp_drv_t *drv, const lv_area_t *area, lv_color_t *color_p) { frames++; // 发送数据... lv_disp_flush_ready(drv); } void fps_timer_cb(lv_timer_t *timer) { static uint32_t last_frames = 0; static uint32_t last_tick = 0; uint32_t now = lv_tick_get(); uint32_t elapsed = now - last_tick; if (elapsed >= 1000) { float fps = (frames - last_frames) * 1000.0f / elapsed; ESP_LOGI("FPS", "current fps = %.2f", fps); last_frames = frames; last_tick = now; } } void app_main(void) { // 初始化 LVGL 后创建定时器 lv_timer_create(fps_timer_cb, 200, NULL); }

6.3 需要固定对比的变量

为了对比公平，每次测试只改一个变量：

• 分辨率：320x240、480x320、800x480。
• 颜色深度：LVGL 配置为 RGB565 或 RGB888。
• 缓冲模式：单缓冲、双缓冲、部分刷新。
• 屏幕接口：SPI、RGB、DSI，不要跨接口直接比较数值。
• 渲染内容：静态页面、数字动画、大面积颜色渐变、图片解码。
• 任务负载：是否同时跑 Wi-Fi、BLE、摄像头采集。

建议做一张测试矩阵表，每行是一种测试组合，记录 FPS 和 CPU 负载。例如：

7. 分辨率、缓冲策略对帧率的影响分析

7.1 分辨率与像素量

分辨率越高，同等刷新频率下单位时间内需要写入的像素量越大。例如 320x240=76800 像素，480x320=153600 像素，像素量翻倍。如果像素时钟不变，高分辨率必然导致帧率下降。这不是芯片 bug，而是物理带宽约束。

从工程角度，优先确认项目真实需要的分辨率。如果只是显示温湿度、时间、开关状态，480x320 已经足够；如果要做地图、复杂图表、视频流预览，才需要考虑更高分辨率并选择 P4 或更高算力方案。

7.2 双缓冲与撕裂

双缓冲能减少画面撕裂现象。LVGL 在双缓冲模式下，可以在后台绘制前缓冲，同时硬件持续发送后缓冲，切换时机由lv_disp_flush_ready和wait_cb控制。副作用是内存占用翻倍。对于 RGB 屏，PCLK 较高时双缓冲更稳定；对于 SPI 屏，双缓冲的意义稍小，因为传输瓶颈在 SPI 时钟上。

内存不足时，可以先用部分缓冲加脏区域刷新，或者降低颜色深度到 RGB565，这是成本最低的优化手段。

7.3 P4 的 PPA 加速在什么场景有用

ESP32-P4 的像素处理加速器典型用途是：

• 图层混合：多个 UI 层或摄像头层直接混合，减少 CPU 逐像素处理。
• 缩放：把相机采集图像缩放到小窗显示，不需要 CPU 做软件缩放。
• 旋转：竖屏/横屏切换时硬件旋转，减少显存拷贝。

如果你的 UI 场景主要是静态控件和简单动画，PPA 带来的帧率提升可能不明显；如果界面里有大量图片缩放、摄像头预览、多图层叠加，P4 的优势会明显放大。

8. 批量对比与自动化测试思路

MCU 端没有 GPU 上的“批次渲染”概念，但帧率测试可以批量跑，适合给选型报告生成数据。

8.1 自动切换测试场景

可以把每种测试组合抽象成 shell 脚本或 Python 脚本，通过串口下发命令给开发板切换 LVGL 页面：

import serial import time ser = serial.Serial('COM3', 115200, timeout=2) scenes = ['clock', 'chart', 'image', 'gradient'] for scene in scenes: ser.write(f'run {scene}\n'.encode()) time.sleep(3) # 每种场景跑固定时长 resp = ser.read_all().decode() print(f'{scene}: {resp}')

开发板端用串口命令接收器切换场景，并在每个场景统计 FPS 后输出日志。这样可以一键跑完多组数据。

8.2 对比结果落表

建议把输出数据统一保存为 CSV：

chip,resolution,color_depth,buffer_mode,scene,fps ESP32-S3,480x320,RGB565,double,clock,25.4 ESP32-P4,480x320,RGB565,double,clock,38.7

数据量足够时，再用表格或图表输出，能明显看出瓶颈在第几层。

9. 常见问题与排查方法

10. 选型建议与最佳实践

回到最初的问题：S3 和 P4 怎么选。这里给出可操作的判断思路。

如果项目的屏幕在 3.5 寸以下，分辨率在 480x320 以内，界面以控件、图标、数字为主，ESP32-S3 加双缓冲加 RGB565 通常够用，成本更低，生态更成熟，网络资料多，团队上手快。S3 的坑主要在 PSRAM 带宽，但只要分辨率控制合理，不会成为瓶颈。

如果项目屏幕超过 5 寸，分辨率上到 800x480 或更高，界面里有图片缩放、视频预览、多图层叠加，或者需要摄像头采集加实时显示，ESP32-P4 更合适。它的 MIPI-DSI 支持和 PPA 加速能减少高分辨率渲染带来的 CPU 压力。

如果在两个芯片之间反复摇摆，建议做一轮本文所述的实测对比，重点测四个场景：静态界面、数字动画、图片滑动、视频预览。这四类几乎覆盖智能家居面板和工业 HMI 的主要 UI 行为。

实操层面有几个建议：

• 先小屏低分辨率跑通全链路，再逐步提高分辨率，定位瓶颈更容易。
• 保留一套最小可运行配置，改坏了随时回退。
• 固件里加一个components/目录管理 LVGL 版本和驱动适配，不要散放在工程根目录。
• 测试帧率时，把 Wi-Fi、BLE、触摸扫描全部关闭，单独测显示能力，再加负载测综合表现。
• 不要只看 FPS，还要看 CPU 占用和 PSRAM 余量，这两个指标决定后续加功能还撑不撑得住。
• 如果做产品，P4 的显示加速能力需要确认 LVGL 适配层是否把 PPA 真正接进来，否则只换芯片不换驱动，帧率提升有限。

11. 总结

ESP32-S3 和 ESP32-P4 不是替代关系，而是定位不同的两代芯片。S3 是成熟、低成本、生态完整的选择，适合中小尺寸 HMI、传感器面板、联网设备；P4 是高算力、新外设、面向中高端显示和边缘视觉的选择，优势在高分辨率渲染、MIPI-DSI、摄像头和图像处理。

帧率对比这件事，不要凭纸面参数下结论。真正值得做的是搭好同一套 LVGL 测试环境，用 GPIO 翻转或帧计数法把两个芯片在相同屏幕、相同分辨率、相同缓冲策略下的帧率测出来，然后用数据决定选型。这样得到的结论，既能在开发阶段指导资源配置，也能在项目评审时给出明确依据。建议收藏备用，后面做显示类项目时可以直接按这套流程跑一轮。