GPIO et Bus de communication

GPIO

Introduction

Le terme GPIO signifie General Purpose Input/Output. Il désigne les broches sur lesquelles on peut prendre le contrôle manuellement.

Des exemples d'utilisation:

Allumer/éteindre une LED,
Vérifier l'état d'un bouton,
Activer un relais ou un transistor de puissance,
...

Les GPIO dont nous parlons ici sont digitaux. Ils ne peuvent prendre que deux états: 0 ou 1.

Dans l'ATmega328P

Les broches de l'ATmega328P sont regrouppées par paquet de 8 (ce que l'on appelle un port). Chaque port est muni de 3 registres de configuration:

DDRx: Data Direction Register. Il permet de configurer les broches du port en entrée ou en sortie.
PORTx: Permet de configurer le niveau de la broche.
PINx: Il permet de lire l'état des broches du port.

Par exemple, pour allumer puis éteindre la LED branchée sur PB5:

// On configure PB5 en sortie
DDRB |= (1 << PB5);
// On met PB5 à 1
PORTB |= (1 << PB5);
// On attend 1 seconde
_delay_ms(1000);
// On met PB5 à 0
PORTB &= ~(1 << PB5);

GPIOs de l'ATmega328P, page 59 du datasheet.

Sortie à trois états

Lorsqu'elle est configurée en entrée, son voltage n'est pas déterminé, elle est dite "flottante" (floating), comme un fil qui ne serait branché à rien.

Une broche n'est donc pas simplement configurée à "0" ou à "1", mais aussi en "entrée" ou en "sortie". Lorsqu'elle est en entrée, on dit qu'ell est en haute impédance (parfois noté Hi-Z).

Par exemple, si on branche un bouton à une broche du microcontrôleur de cette façon:

Ou GND représente la masse du circuit, c'est à dire le 0V, on s'assure de lire "0" lorsque le bouton est appuyé. Mais que se passe t-il lorsqu'il est relâché? La broche est alors en haute impédance, et peut prendre n'importe quelle valeur.

Pour remédier à cela, on utilise des résistances de tirage (pull-up ou pull-down). Elles permettent de fixer le voltage de la broche lorsqu'elle est en haute impédance.

Avec ce montage, on s'assure de lire "1" lorsque le bouton est relâché.

Bonne nouvelle: les résistances de tirage sont intégrées à l'ATmega328P! Il suffit de les activer. Ce qui nous amène à un 4ème état, l'entrée avec pull-up. (Il n'existe pas d'entrée avec pull-down, mais cela est possible avec d'autres microcontrôleurs.)

On peut donc utiliser le code suivant pour regarder la valeur d'un bouton qui serait branché en PB4:

// On configure PB4 en entrée avec pull-up
DDRB &= ~(1 << PB4);
PORTB |= (1 << PB4);
// On lit la valeur de PB4
uint8_t btn = PINB & (1 << PB4);

Voici donc les états possible d'une broche:

DDRx	PORTx	Etat
1	0	Sortie à 0
1	1	Sortie à 1
0	0	Entrée flottante
0	1	Entrée pull-up

Les bus de communication

Motivation

Maintenant que nous savons utiliser les GPIO, il serait possible de communiquer des signaux binaires entre deux microcontrôleurs.

Exercice: comment feriez-vous pour transmettre un message de 8 bits entre deux microcontrôleurs avec les GPIO?

Même si cet exercice est possible, la solution serait très peu pratique et occuperait de nombreux cycles du microcontrôleur. C'est pourquoi il existe des bus de communication.

Propriétés

Full-duplex/Half-duplex
Un bus est dit full-duplex si il peut transmettre et recevoir des données en même temps. Sinon, il est dit half-duplex.

Par exemple, la communication orale est half-duplex car on ne peut pas parler et écouter en même temps (le medium de communication est le même).

Synchrone/Asynchrone
Un bus est dit synchrone si les deux microcontrôleurs sont synchronisés par un signal d'horloge commun (sinon, il est dit asynchrone).

Quand il est présent, ce signal d'horloge est concrètement une entrée/sortie supplémentaire qui indique l'arrivée d'un nouveau bit.

Quand il est absent, il est nécessaire de compter sur la temporisation interne des microcontrôleurs pour assurer la synchronisation. Nous verrons plus tard comment cela est possible.

Série/Parallèle
Un bus est dit série si les données sont transmises bit par bit (sinon, il est dit parallèle).

L'entiereté des bus de communication que nous verrons sont série. Les bus parallèles sont utilisés pour augmenter la vitesse de transmission des données, mais nécessitent un nombre de broches plus important.

Maître/Esclave Dans une architecture maître/esclave, seuls les maîtres peuvent initier une communication. Les esclaves ne peuvent que répondre à une requête.

Toute architecture de bus n'est pas forcément maître/esclave.

La terminologie est contestée mais reste très utilisée.

Quelques bus célèbres

Nous allons nous intéresser dans la prochaine partie à trois bus célèbres, et implémentés dans l'ATmega328P:

UART: Universal Asynchronous Receiver-Transmitter
I2C: Inter-Integrated Circuit
SPI: Serial Peripheral Interface

UART

Présentation

UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) ou USART

On l'appelle parfois simplement "série", sans plus de précision. (Dans la bibliothèque Arduino par exemple, il s'agit de Serial.)

Série

Asynchrone

Full-duplex

Débit typiquement limité à quelques MBits/s.

Branchements

Le câblage de l'UART est le suivant:

Les broches sont:

TX: émission
RX: réception

Le TX d'un microcontrôleur doit être relié au RX de l'autre, et vice-versa. Attention à ne pas inverser les deux!

Une ambiguité peut apparaître dans la documentation d'un périphérique: est-ce que le TX est celui du périphérique ou celui du microcontrôleur? Il faut donc faire attention à bien lire la documentation.

Il est entièrement possible d'imaginer des variantes d'UART dans lesquelles la communication serait
half-duplex ou unidirectionelle.

Principe de fonctionnement

Lors d'une communication asynchrone, les deux périphériques n'ont pas de signal d'horloge commun. Un seul fil est nécessaire pour qu'on composant transmette un message à l'autre (la présence des deux fils permet la communication full-duplex).

Par exemple, supposons que le signal suivant soit transmis:

Afin de pouvoir le transformer en bits, il faut que les deux périphériques soient synchronisés. Pour cela:

il faut un accord sur la vitesse de transmission. On appelle cette vitesse le baudrate, exprimée en bits par seconde (bps),
Il faut que s'assurer que le signal est "aligné" sur les bits.

Le même signal, plusieurs fréquences/alignements possible

Afin de résoudre le premier problème, on compte sur les horloges des deux périphériques. Il est nécessaire que ces derniers soient capable de compter le temps écoulé de manière suffisament précise.

Cependant, cette approche causera inexorablement des décalages entre les deux périphériques. Il est donc nécessaire de les resynchroniser.

Idée: l'UART peut détecter les fronts montants ou descendants pour réaligner son horloge. Cependant, il faut pour cela garantir qu'il y en a.

Dans la pratique, on en ajoute un artificiellement au début de chaque octet transmis. On ajoute pour cela deux bits supplémentaires, appelés start bit et stop bit.

Exemple de transmission

Dans cette transmission, nous avons plusieurs phases:

En jaune, le bus est dans un état de "repos" (avec une logique de \(5V\)),
En violet, les bits de start et de stop, qui permettent de détecter le début de la trame et de resynchroniser les horloges,
En bleu, la charge utile, c'est à dire les bits que l'on souhaite transmettre.

Sur la carte Arduino Uno

La carte Arduino Uno est équipée d'un composant adaptateur USB/série, qui communique en USB avec votre ordinateur et en série avec l'ATmega328P.

Schéma de l'Arduino Uno R3

Si vous observez bien le schéma ci-dessus, vous verrez que ce composant est en fait lui-même un autre ATmega, le ATmega16U2!