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) 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.

ESP32

Développeur	Espressif Systems
Fabricant	TSMC
Date de sortie	5 septembre 2016

Fonctions

Type	Système sur puce et microcontrôleur

Caractéristiques

Alimentation	3.3 V CC
Processeur	Tensilica Xtensa LX6
Mémoire	520 ko

ESP8266

Le ESP32-C3, WiFi, BLE, Bluetooth, 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. Le support du développement via la plateforme et l'IDE d'Arduino est disponible depuis la bibliothèque ESP32 2.0.0. 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

Schéma fonctionnel de l'ESP32

Les ESP32 comprennent notamment les caractéristiques techniques suivantes :

• 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 : 32 Mo 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.

Stockage intégré

L'ESP32 comprend la mémoire intégrée suivante :

Taille	mémoire
SRAM	520 Kibits
Mémoire flash	448 Kibits
NVRAM	16 Kibits

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
• WiFi 2.4 Ghz (IEEE 802.11b/g/n)
• 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.

ESP32-PICO-D4

Il s'agit d'un System in package (système dans un paquet) et non d'un SoC.

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

Base RISC-V

Carte NodeMCU équipé d'un ESP32-C3-32S

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, à une fréquence maximum de 160 MHz., il apporte cependant de meilleur performances qu'un seul cœur LX7 à 160 MHz.

• 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.

• 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

Carte utilisant un ESP32-C6

Comme le C3, il se base sur un processeur d'architecture RISC-V.

• 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.

• 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 :

• 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, 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 ;
• 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 ;
• ESP32forth, programmation en Forth 32 bits pour ESP32

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
• 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. L'échantillonnage utilisant l'ADC intégré peut être effectué via la plateforme de développement Arduino.

Il est notamment adapté à des synthétiseurs au format Eurorack, comme le CTAG-Strämpler.

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

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

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)