ESP32

ESP32 est une série de microcontrôleurs de type système sur une puce (SoC) d'Espressif Systems, basé sur l'architecture Xtensa LX6 de Tensilica (en), intégrant la gestion du Wi-Fi et du Bluetooth (jusqu'à LE 5.0 et 5.1^[1]) en mode double, et un DSP. C'est une évolution d'ESP8266. Le principal outil de développement est ESP-IDF, logiciel libre développé par Espressif, écrit en C et utilisant le système temps réel FreeRTOS. Il intègre un nombre important de bibliothèques et on retrouve dans son écosystème des bibliothèques tierce libres pour différents types de périphériques liés à l'embarqué et au temps réel.

Le ESP32-C3, WiFi & BLE, est une variante, annoncée et sorti en novembre 2020, compatible broche à broche avec l'ESP8266, mais utilisant l'architecture RISC-V 32 bits plutôt que Xtensa^[2]. Le support du développement via la plateforme et l'IDE d'Arduino est disponible depuis la bibliothèque ESP32 2.0.0^[3]. Plus généralement, La série ESP32-C est basée sur RISC-V et la série ESP32-S sur Xtensa LX6.

Son support Wi-Fi et Bluetooth, en fait un système apprécié dans le domaine de l'internet des objets.

Ce SoC rencontre un certain succès depuis quelques années à la fois pour son coût, ses capacités et son intégration dans un nombre croissant de systèmes.

Caractéristiques techniques

Les ESP32 comprennent notamment les caractéristiques techniques suivantes^[4] :

• Processeurs :
  • CPU : Xtensa double-cœur (ou simple-cœur), microprocesseur LX 32 bits, fonctionnant à 160 ou 240 MHz et fournissant jusqu'à 600 DMIPS ;
  • coprocesseur ultra basse consommation (ULP) ;
• Mémoire : 520 KiO SRAM ;
• Connectivité sans-fil :
  • Wi-Fi : 802.11 b/g/n ;
  • Bluetooth : v 4.2 BR/EDR et BLE jusqu'à v 5.0 et v 5.1 ;
• Interfaces de périphériques :
  • Segmentation 12-bit sur les ADC (SAR ADC) jusqu'à 18 canaux ;
  • 2 × 8 bit DAC ;
  • 10 × capteurs de touché (GPIO de capteur capacitif (en)) ;
  • 4 × SPI ;
  • 2 × interfaces I²S ;
  • 2 × interfaces I²C ;
  • 3 × UART ;
  • contrôleur hôte SD/SDIO/CE-ATA (en)/MMC/eMMC ;
  • contrôleur esclave SDIO/SPI ;
  • interface MAC Ethernet avec DMA dédié et support du protocole de temps précis IEEE 1588 ;
  • Bus de données CAN 2.0 ;
  • contrôleur infrarouge distant (TX/RX, jusqu'à 8 canaux) ;
  • Moteur PWM ;
  • LED PWM (jusqu'à 16 canaux) ;
  • Capteur à effet Hall ;
  • pré-amplificateur analogique ultra-basse consommation ;
• Sécurité :
  • Standard de sécurité supportant complètement IEEE 802.11,incluant WPA/WPA2 et WAPI de WFA ;
  • Secure boot (démarrage sécurisé) ;
  • Chiffrement de la Flash ;
  • 1024-bit OTP, jusqu'à 768 bit pour les clients ;
  • Accélération matérielle du chiffrement : AES, SHA-2, RSA, Cryptographie sur les courbes elliptiques (ECC), Générateur de nombres aléatoires (RNG) ;
• Gestion de l'énergie :
  • low-dropout regulator (en) interne.
  • Domaines d'alimentation individuels pour le RTC
  • Alimentation en sommeil profond de 5 μA ;
  • Réveil depuis des interruption GPIO, timer, mesure ADC, interruption du capteur de touché capacitif.

Variantes améliorées

Base Xtensa

ESP32-S2

• Comporte un processeur Xtensa LX7 pouvant monter jusqu'à 240 MHz
• Un coprocesseur RISC-V est introduit pour le mode ULP.
• Accélération matérielle du chiffrement
• Il n'y a pas de fonctions Bluetooth^[5]
• WiFi 2.4 Ghz (IEEE 802.11b/g/n)^[5]
• FPU

ESP32-S3

• Comporte deux processeur Xtensa LX7 pouvant monter jusqu'à 240 MHz
• Accélération matérielle du chiffrement
• Wifi 802.11 b/g/n, Bluetooth 5.0 LE
• Un coprocesseur RISC-V est toujours présent pour le mode ULP^[6].

ESP32-PICO-D4

Il s'agit d'un System on Package (système dans un paquet) et non d'un SoC^[7].

• Deux processeurs Xtensa LX6
• 4MB SPI flash
• WiFi 802.11 b/g/n/e/i, BT
• consommation moyenne de 80 mA.

Base RISC-V

ESP32-C2 (ESP8684)

Cœur d'architecture RISC-V 272 ko de SRAM intégré (16 ko de cache).

• 1 cœur RISC-V 32 bits basse consommation à 120 MHz
• Accélération matériel du chiffrement
• 576 ko de ROM
• 1 ko eFuse
• WiFi 4.0 b/g/n 2.4 GHz largeur de bande 20 MHz (72.2 Mb/s max)
• Bluetooth 5.0 LE
• Extensions de chiffrement AES

ESP32-C3 (ESP8686)

Contrairement à ses prédécesseurs, le microcontrôleur principal est un unique cœur d'architecture RISC-V RV32IMC 400 ko de SRAM intégré (16 ko de cache). Il permet l'utilisation de ESP-IDF, basé sur FreeRTOS^[8], à une fréquence maximum de 160 MHz^[9]., il apporte cependant de meilleur performances qu'un seul cœur LX7 à 160 MHz^[10].

• 1 cœur RISC-V 32 bits jusqu'à 160 MHz
• Accélération du chiffrement
• 384 ko de ROM
• WiFi 4.0 b/g/n 2.4 GHz largeur de bande 20 MHz, 40 MHz en 802.11n (150 Mb/s max)
• Bluetooth 5.0 LE
• Extensions de chiffrement AES

ESP32-C5

Basé sur un cœur RISC-V pouvant monter jusqu'à 240 Mhz, ce module n'a pas d'unité d'accélération de chiffrement, mais gère par contre le WiFi 6.0 en double bande. Il permet l'utilisation de ESP-IDF, basé sur FreeRTOS^[11].

• 1 cœur RISC-V 32 bits jusqu'à 240 MHz
• dual-band WiFi 6.0 802.11ax (largeur de bande 20MHz) en 2.4 GHz et 5.0 GHz, WiFi 4.0 802.11b/g/n (largeur 20MHz et 40MHZ)
• Bluetooth 5.0 LE
• Sur circuit intégré : 400 ko RAM, 384 ko ROM
• Capteur de température et système d'horloge temps-réel (RTC).

ESP32-C6

Comme le C3, il se base sur un processeur d'architecture RISC-V^[12],[13].

• 1 cœur RISC-V 32 bits jusqu'à 160 MHz
• Extension d'accélération du chiffrement AES
• IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6) à 2.4 GHz, supportant une bande passante de 20 MHz dans le mode 11ax et 20 or 40 MHz de bande passante dans les modes 802.11b/g/n
• Bluetooth 5.0 LE (2 Mbps)

ESP32-C61

Comme le C6, il se base sur un processeur d'architecture RISC-V^[14],[15].

• 1 cœur RISC-V 32 bits jusqu'à 160 MHz
• Extension d'accélération du chiffrement AES, ECDSA-based Digital Signature (DS) peripheral, Trusted Execution Environment (TTE)
• IEEE 802.11ax (Wi-Fi 6) à 2.4 GHz, supportant une bande passante de 20 MHz dans le mode 11ax et 20 ou 40 MHz de bande passante dans les modes 802.11b/g/n
• Bluetooth 5.0 LE (2 Mbps) et BLE Mesh 1.1
• Quad SPI PSRAM jusqu'à 120 MHz
• module Event Task Matrix (ETM) module pour l'automatisation par déclencheur des tâches.

ESP32-P4

L'ESP32-P4 est une version comportant deux contrôleurs RISC-V à 400Mhz et un contrôleur RISC-V basse consommation à 40 Mhz, pour le mode veille^[16],[17] :

• 2 cœurs RISC-V 32 bits jusqu'à 400 MHz
• 1 cœur RISC-V 32 bits jusqu'à 40 MHz
• Un NPU, un décodeur H264 et JPEG, ainsi qu'un processeur géométrique 2D.
• Accélération du chiffrement AES jusqu'à ECDSA.
• Supporte ethernet, mais pas de réseau sans-fil.
• Compatible MIPI I3C

Série ESP32-H

Tous les SoC de la série ESP32-H utilise le jeu d'instruction RISC-V.

ESP32-H2

Également basé sur un cœur RISC-V 32 bits, orienté basse consommation et sécurité(en) « ESP32-H2 », sur Espressif.

• IEEE 802.15.4
• Thread, Zigbee, Bluetooth 5 (LE)

Outils de développement et systèmes

Il est notamment supporté par les outils de programmation suivants :

• ESP-IDF (développement en C, avec outils en Python, se base sur FreeRTOS, c'est le système de développement de base ;
• Apache NuttX, système compatible POSIX, porté sur ESP32-C3 (RISC-V) uniquement.
• Arduino IDE avec le module ESP32 Arduino Core^[18], interface en Java, développement en C++ ;
• Espruino (en) ;
• ESPHome, spécialisé domotique, comportant une interface web pour l'interaction ;
• FAUST, langage de programmation de traitement de données audio, utilisant son DSP^[19] ;
• Lua RTOS pour ESP32 ;
• MicroPython, une variante pour l'embarqué du langage Python ;
• mruby (en), une variante pour l'embarqué du langage Ruby ;
• NodeMCU ;
• MicroEJ^[20] ;
• ESP32forth, programmation en Forth 32 bits pour ESP32^[21]

Systèmes électroniques l'utilisant

IoT

• Les Cartes IoT NodeMCU les plus récents utilisent ESP32-S à la place de ESP8266.
• Le kit de développement modulaire M5Stack.
• Les cartes IoT TTGO
• Les cartes ESP32 d'uPesy^[22]
• Différents modules réseau sans fil, supportant LoRa, WiFi et Bluetooth, autonomes ou intégrés dans d'autres cartes de développement, telles que les cartes de Sipeed basés sur des processeurs RISC-V.

Synthétiseurs

L'ESP32 est adapté à la création des Synthétiseurs avancés, dont des synthétiseurs analogiques. Le langage FAUST ou la bibliothèque ESP32soundsynth permettent de faciliter le développement de synthétiseurs basés sur cette architecture^[23]. L'échantillonnage utilisant l'ADC intégré peut être effectué via la plateforme de développement Arduino^[24].

Il est notamment adapté à des synthétiseurs au format Eurorack, comme le CTAG-Strämpler^{[25],[26],[27]}.

Qun-synthesizer est un synthétiseur analogique portable, basé sur la carte ESP32-LyraT, fonctionnant avec la carte mère Nunomo^[28].

Console de jeu portable

• Hardkernel, a créé en 2018 Odroid-Go, une console de jeu portable à très bas prix basée sur cette puce.

Annexes

Notes et références

Bibliographie

• (en) Agus Kurniawan, Internet of Things projects with ESP32 : build exciting and powerful IoT projects using the all-new Espressif ESP32, Birmingham, UK, Packt Publishing, 2019 (ISBN 9781789953121)
• (en) Patrick Marchhart, ESP32 Light Controller, Grin Verlag (ISBN 9783668918344, OCLC 9783668918344)
• (es) Pedro Bertoleti, Proyectos com ESP32 y LORA (ISBN 9788595680661, OCLC 1123096640)
• (de) Udo Brandes, Erste Schritte: Eigene IoT-Lösungen mit dem ESP32 : Mikrocontroller, Internet und PC, Haar bei München Franzis, coll. « Mach's einfach », 2019 (ISBN 9783645606615)
• (en) Iain Hendry, ESP32 Development using the Arduino IDE, 2019
• (sl) Jan Pleterski, Rok Vrabič et Peter Butala, Krmiljenje DC motorja z mikrokrmilnikom ESP32 : zaključna naloga univerzitetnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo (OCLC 1016112028)
• (en) Romain Michon, Daniel Overholt, Stephane Letz, Yann Orlarey, DominiqueFober, Catinca Dumitrascu, A Faust Architecture for the ESP32 Microcontroller, Turin, Sound and Music Computing Conference (SMC-20), 2020 (lire en ligne)

Avec MicroPython

• Nicholas H. Tollervey, Programmer avec MicroPython : Programmation Python de systèmes embarqués à microcontrôleurs, Paris, O'Reilly / First éditions, 2018, X-213 p. (ISBN 978-2-412-03746-1, BNF 45512787) (programmation en MicroPhython, avec notamment des exemples sur ESP32)
• (en) Luca-Dorin Anton, MicroPython complete : the definitive guide to Python for microcontrollers using MicroPython and ESP32, Technics Publications, 2019 (OCLC 1122564653)

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