ESP8266

ESP8266 on Espressif Systemsi toodetav odav WiFi integraallülitus, mis sisaldab TCP/IP protokollipinu ja 32-bitist mikrokontrollerit. ESP8266 kiipe hakati tootma suuremates kogustes 2014. aastal. Ühe kiibi hind on alla kahe dollari ja valmis moodulid, mis sisaldavad nii ESP8266 kiipi kui ka väliseid komponente, mis on selle tööks vajalikud, maksavad alla kolme dollari. Sellest tuleneb ka nende kiipide populaarsus.

AI-Thinker ESP8266 moodul
Nimi	ESP8266
Tootja	Espressif
CPU taktsagedus	80 MHz (vaikimisi) kuni 160 MHz
Toitepinge	3,3 V
Tüüp	mikrokontroller
Mälu	64 KiB instruktsioonidele, 96 KiB andmetele

Esimene ESP8266 kiip jõudis lääneriikides huviliste tähelepanu alla 2014. aasta augustis ESP-01 mooduli näol. Selle mooduli abil sai ühendada mikrokontrollereid Wi-Fi võrkudega ja luua TCP/IP ühendusi kasutades AT-käsustikku. Sel ajal aga puudus peaaegu täielikult ingliskeelne dokumentatsioon kiibile ja sellel oleva programmi käsustikule. Kiibi väga madal hind ja vähene väliste komponentide arv, mis kiibi tööks vajalikud on, tekitasid huvilistes tahet seda moodulit, kiipi ja tarkvara uurima ning dokumenteerima hakata. Nüüdseks on hiinakeelne dokumentatsioon terviklikult inglise keelde tõlgitud ja materjale ESP8266 kohta leidub laialdaselt.

Sellest kiibist on ka teisi versioone, näiteks ESP8285, millel on 1 MiB välkmälu, ning ESP32, mis on ESP8266 järeltulija.

Tehniline kirjeldus

ESP8266-l on 32-bitine RISC keskprotsessor Tensilica Xtensa L106, mis töötab vaikimisi 80 MHz taktsagedusel, kuid ülekiirendamise abil saab panna seda käima ka sagedustel 160 MHz kuni 346 MHz. Toitepingeks on 2,2–3,6 volti, nimiväärtusena 3,3 volti. Voolutarve on väga sõltuv režiimist ja programmist, mis sellel jookseb. Seisatud režiimis on voolutarve 10 µA, kuid kuulamisrežiimis töötades võib see olla 60 mA ja täisvõimsusel andmeid saates võib voolutarve olla ka kuni 200 mA. See teeb patareidel töötavate seadmete eluea arvutamise keeruliseks.

Veel on sellel:

• 64 KiB muutmälu masinakäskude jaoks ja 96 KiB muutmälu andmete talletamiseks
• 512 KiB kuni 4 MiB välist QSPI välkmälu (toetatud kuni 16 MiB)
• IEEE 802.11 b/g/n Wi-Fi tugi
  • Kuni 5 paralleelset TCP ühendust
  • Kiibis on integreeritud saatmise-vastuvõtmise lüliti, sümmeetrimistrafo, võimendid (LNA ja PA) ja impedantsi võrdsustamise skeem
  • WEP ja WPA/WPA2 autentimine ning ka avatud võrk
• 16 GPIO viiku
• SPI, I²C ja I²S,
• UART (üks RX ja TX viikudega, teine ainult TX viiguga)
• 10-bitine ADC

Arhitektuur

ESP8266 kiibisisesest ränist tehtud pilt

ESP8266 põhineb 32-bitisel Tensilica Xtensa L106 RISC keskprotsessoril. Kasutusel on Harvardi arhitektuur, mistõttu on programmi- ja andmemälu täielikult eraldatud.

Kiibi räni suuruseks on 2050x2169 µm, millest poole võtavad enda alla saatja, vastuvõtja ja võimendid. Vasakul üleval nurgas asub vastuvõtja, milles on näha kaks induktiivpooli. Selle all on näha suure induktiivpooliga saatjat. Sellest poolist paremale jääb vastuvõtja madalpääsfilter ja analoog-digitaalmuundur. Selle all asub saatja digitaal-analoogmuundur. Ülejäänud ruumi võtavad enda alla kiibisisene mälu, Xtensa LX106 keskprotsessor ja muu digitaalne loogika.

Sellel mikrokontrolleril pole välkmälu sisse ehitatud ja seega sõltub välisest SPI liidese kaudu ühendatud välkmälust. Selle peal täidetakse programmi, laadides dünaamiliselt erinevaid programmi osasid välkmälust instruktsioonipuhvrisse.

Kiibi tootja ei ole avalikustanud dokumentatsiooni kiibi siseperifeeria kohta. Selle asemel avalikustati kogumik teeke, mille kaudu saavad programmeerijad perifeeriat kontrollida. Kuna need teegid kasutavad palju RAM mälu, ei täpsusta tootja kogu kiibi mälu hulka vaid ainult ligikaudset mälukogust, mis jääb kasutajale kasutamiseks pärast teekide laadimist. Selleks on ~50 KiB.

Wi-Fi

ESP8266 on võimeline töötama kolmes režiimis. See võib töötada pöördepunktina (access point), võrguseadmena (station) või mõlemana korraga. Tüüpilise kasutuse juures ühendub ESP8266 välise võrgu külge, kuid selleks on sellel vaja teada välise võrgu SSID-d ja parooli. Selliste parameetrite konfigureerimiseks on pöördepunktina töötamine kasulik, kuna siis saab teiste seadmetega ühenduda ESP8266 külge, mis on nähtav Wi-Fi võrguna. Nii pöördepunktina kui ka võrguseadmena töötades suudab ESP8266 toimida veebiserverina, jagades välja faile ja ka reaalajas genereeritud andmeid.

Programmi kirjutades peavad toimima kõik protseduurid sündmustel (callback) ja ükski protseduur ei tohiks kulutada rohkem aega kui 2 ms. Kui mõne funktsiooni täitmine peaks võtma rohkem aega kui pool sekundit, teeb valvetaimer (WDT) kiibile restardi. Selle eesmärk on programmi mitte ettekavatsetud seiskumisel uuesti programm käivitada, kuid teeb samas programmi kirjutamist keerulisemaks.

Viikude kirjeldus

Järgnevas tabelis on toodud ESP8266 jalgade nimetused ja funktsioonid.

Viigu number	Viigu nimi	Viigu kirjeldus
1	VDDA	Analoogskeemide toitepinge 3,0–3,6 volti
2	LNA	Antenni ühenduskoht
3	VDD3P3	Võimendi toitepinge 3,0–3,6 volti
4	VDD3P3	Võimendi toitepinge 3,0–3,6 volti
5	VDD_RTC	ühendamata
6	TOUT	Saab kasutada 10 bitise ADC sisendina
7	CHIP_EN	Kõrge signaal – kiip töötab normaalselt; madal signaal – välja lülitatud, minimaalne voolutarve
8	XPD_DCDC	GPIO 16
9	MTMS	GPIO 14, SPI CLK
10	MTDI	GPIO 12, SPI MISO
11	VDDPST	Digitaalloogika toitepinge 1,8–3,3 volti
12	MTCK	GPIO 13, SPI MOSI, UART0 CTS
13	MTDO	GPIO 15, SPI CS, UART0 RTS
14	GPIO2	GPIO 2, UART Tx programmi pealelaadimisel
15	GPIO0	GPIO 0, SPI CS2
16	GPIO4	GPIO 4
17	VDDPST	Digitaalloogika toitepinge 1,8–3,3 volti
18	SDIO_DATA_2	GPIO 9
19	SDIO_DATA_3	GPIO 10
20	SDIO_CMD	GPIO 11, SPI CS0
21	SDIO_CLK	GPIO 6, SPI CLK
22	SDIO_DATA_0	GPIO 7, SPI MISO
23	SDIO_DATA_1	GPIO 8, SPI MOSI
24	GPIO5	GPIO 5
25	U0RXD	GPIO 3, UART Rx välkmälu programmeerimisel
26	U0TXD	GPIO 1, UART Tx välkmälu programmeerimisel
27	XTAL_OUT	Kristallresonaatori ühendamiseks
28	XTAL_IN	Kristallresonaatori ühendamiseks
29	VDDD	Analoogskeemide toitepinge 3,0–3,6 volti
30	VDDA	Analoogskeemide toitepinge 3,0–3,6 volti
31	RES12K	Tuleb ühendada läbi 12k takisti maaga
32	EXT_RSTB	Välise restardi signaali sisend
33	GND	Kiibi alune keskmine jooteväli tuleb ühendada toitepinge maaga

AT-käsustik

Tehasest tulles on ESP8266 peal programm, millega saab seda kiipi kontrollida üle UART liidese kasutades Hayesi käsustikule sarnaseid AT-käske. Neid käske kasutades saab luua võrguühendusi, ilma et peaks teadma, kuidas seda mikrokontrollerit ennast süsteemitasandil programmeerima peab. Iga AT käsk peab lõppema reavahetusega (\r\n). Kui alguses oli AT käsustiku kasutamine ainus võimalus kiibiga võrguühenduste loomiseks, siis hiljem avaldas Espressif arendustarkvara, millega sai ka kiibile uusi programme luua.

Arendustarkvarad

Alguses oli see kiip kasutatav vaid tootja poolt tehases peale lastud tarkvara kasutades. Selle jaoks oli vaja välist protsessorit, mis ühendus ESP8266ga kasutates AT-käsustikku. 2014. aasta oktoobri lõpus avaldas Espressif arendustarkvara (SDK), mis laseb seda mikroskeemi programmeerida. Sellega kadus vajadus välise protsessori üle. Espressif on sellest arendustarkvarast välja andnud mitu versiooni, millest praegu on toetatud kaks. Üks neist põhineb FreeRTOS-il ja teine sündmustel (events).

Espressifi enda väljapakutud arendustarkvarale on lisandunud palju vabavaralisi alternatiive:

• GCCl põhinev ESP-Open-SDK
• FreeRTOS-il põhinev s ESP-Open-RTOS
• Lua'l põhinev NodeMCU
• C++'l põhinev Arduino, mis laseb ESP8266 programmeerida nagu iga teist Arduino seadet
• Pythonil põhinev MicroPython
• Microsofti Visual Basic-l põhinev Zbasic for ESP8266
• JavaScriptil põhinev Espruino, mis sarnaneb Node.jsiga
• Mongoose Firmware

Programmide pealelaadimine

ESP8266 välkmällu uute programmide laadimiseks tuleb GPIO0 jalg ühendada GND-ga ja CH_PD jalg Vcc-ga. Seejärel on võimalik programme UART liidese kaudu peale laadida. Vaike-ühenduskiirus on 115200 boodi/s. Kui programm on peale laaditud, tuleb programmi käivitamiseks GPIO0 ühendada Vcc-ga ning teha moodulile restart kas toitepinget lahti ja külge ühendades või RESET jala kaudu restardi olukorda välja kutsudes.

Hiljem on lisandunud OTA (Over The Air) võimalus, mis laseb ESP8266-le laadida programme peale juhtmevabalt. Üleslaadimise käigus jagatakse välkmälu kaheks võrdseks osaks: ühes paikneb jooksev programm ja teise poolde kirjutatakse uus programm. See seab ka mälu suuruse piirangu ehk programm peab olema vähemalt 2 korda väiksem kui välkmälu hulk. See välistab 512 KiB ESP-01 moodulitel OTA kasutamise, kuna teegid ise võtavad sellest üle poole ära. Kui kogu programm on mälu teise poolde kirjutatud, sätitakse lipp, mis näitab, et programmi käivitamist tuleb järgmisel korral alustada mälu teisest poolest. Kui uuesti OTA laadimist tehakse, laaditakse programm välkmälu esimesse poolde ning sätitakse lipu väärtus selliseks, et programmi käivitamist alustatakse välkmälu esimesest poolest. OTA kasutuse jaoks on vajalik alati programmi peale laadides sisaldada uues koodis ka see programm, mis on võimeline programmi võrgu kaudu välkmälu õigesse kohta kirjutama. Kui ilma selleta laadida programm ESP8266 peale, siis OTA funktsionaalsus kaob.

Moodulplaadid

Tehasest tulnud kiibid on väikesed ja seega oleks nendega toodete prototüüpide arendamine keeruline. Et arendustööd lihtsamaks teha, on loodud moodulid, millel on ESP8266 kiip koos erinevate muude komponentidega, mis teevad selle kiivi kasutamise mugavamaks. Kõik moodulid kasutavad sama ESP8266 kiipi, suurim erinevus erinevate moodulite vahel on välja toodud GPIO jalgade arv, pistiku tüüp ja kaasa pandud mälu suurus. Mõningatele moodulitele, näiteks Adafruiti HUZZAH'le ning NodeMCU devKitile, on integreeritud ka USB to Serial konverter ja 5V -> 3,3V pingemuundur, mis teeb arendustöö eriti lihtsaks, kuna seda saab otse USB kaudu sidestada.

Espressifi moodulplaadid

Espressif Systemsi ESP-WROOM-02 moodul

Espressif on välja andnud moodulplaadi ESP-WROOM-02, millel on ESP8266 integraalskeem, antenn (rada trükkplaadil, 2 dBi), 26 MHz ostsillaator ja 18 jalga. See moodul on kaetud metallkattega.

AI-Thinkeri moodulplaadid

AI-Thinkeri ESP-01 moodul

Need on esimesed kolmanda osapoole loodud moodulplaadid, mis sisaldavad ESP8266 kiipi. Need on ka kõige laialdasemalt levinud ESP8266 moodulplaadid. 

Nimi	Aktiivseid jalgu	Mooduli ühendusviis	Suurus	LEDid	Antenn	Varjesatud?	Mõõtmed (mm)	Märkmed
ESP-01	6	0,1 in	2×4 DIL	Jah	Rada trükkplaadil	Ei	14,3 × 24,8
ESP-02	6	0,1 in	2×4 poolikute läbiviikudena	Ei	U.FL pistik	Ei	14,2 × 14,2
ESP-03	10	2 mm	2×7 poolikute läbiviikudena	Ei	Keraamiline	Ei	17,3 × 12,1
ESP-04	10	2 mm	2×4 poolikute läbiviikudena	Ei	Puudub	Ei	14,7 × 12,1
ESP-05	3	0,1 in	1×5 SIL	Ei	U.FL pistik	Ei	14,2 × 14,2
ESP-06	11	ebaühtlane	4×3	Ei	Puudub	Jah	14,2 × 14,7	Pole FCC kinnitatud
ESP-07	14	2 mm	2×8 pisiavad	Jah	Keraamiline + U.FL pistik	Jah	20,0 × 16,0	Pole FCC kinnitatud
ESP-08	10	2 mm	2×7 poolikute läbiviikudena	Ei	Puudub	Jah	17,0 × 16,0	Pole FCC kinnitatud
ESP-09	10	ebaühtlane	4×3	Ei	Puudub	Ei	10,0 × 10,0
ESP-10	3	2 mm?	1×5 poolikute läbiviikudena	Ei	Puudub	Ei	14,2 × 10,0
ESP-11	6	0,05	1×8 pisiavad	Ei	Keraamiline	Ei	17,3 × 12,1
ESP-12	14	2 mm	2×8 poolikute läbiviikudena	Jah	Rada trükkplaadil	Jah	24,0 × 16,0	FCC ja CE kinnitatud
ESP-12E	20	2 mm	2×8 poolikute läbiviikudena	Jah	Rada trükkplaadil	Jah	24,0 × 16,0	4 MiB välkmälu
ESP-12F	20	2 mm	2×8 poolikute läbiviikudena	Jah	Rada trükkplaadil	Jah	24,0 × 16,0	FCC ja CE kinnitatud. Parandatud antenni töövõime. 4 MiB välkmälu
ESP-13	16	1,5 mm	2×9 poolikute läbiviikudena	Ei	Rada trükkplaadil	Jah	W18,0 × L20,0
ESP-14	22	2 mm	2×8 poolikute läbiviikudena +6	Ei	Rada trükkplaadil	Jah	24,3 × 16,2

ESP8266 alternatiivid

Peaaegu samaaegselt ESP8266-ga hakkasid taolisi integraalskeeme tootma ka teised tootjad.

• NL6621 – 160 MHz ARM Cortex-M3 mikrokontroller, rohkem GPIO viike kui ESP8266-l, vajab töötamiseks rohkem väliseid komponente kui ESP8266.
• MediaTek MT7681 ja MT7687
• Texas Instruments CC3200 – 80 MHz ARM Cortex-M4. QFN64 pakendis, seega võtab veidi rohkem ruumi kui ESP8266.
• Realtek RTL8195, RTL8711 ja RTL8710