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.
Si vous observez bien le schéma ci-dessus, vous verrez que ce composant est en fait lui-même un autre
ATmega, le ATmega16U2!
SPI
Présentation
SPI (Serial Peripheral Interface)
Également très répandu dans l'embarqué, bonne robustesse et débit (grace à sa synchronicité), mais nécessite
plus de broches.
Série
Synchrone
Full-duplex
Maître/esclave
Peut monter à plusieurs dizaines de MBits/s.
Branchements
Le câblage de SPI est le suivant:
Les broches sont:
MOSI: Master Out Slave Input, émission du maître vers l'esclave
MISO: Master Input Slave Output, émission de l'esclave vers le maître
SCK: Serial Clock, signal d'horloge
SS: Slave Select, sélection de l'esclave
La nomenclature MOSI/MISO permet de lever l'ambiguité mentionnée pour l'UART.
Principe de fonctionnement
Lors d'une transmission, le maître sélectionne un esclave en mettant à 0 la broche SS. Il transmet ensuite
les bits un par un, en même temps que le signal d'horloge. L'esclave reçoit les bits sur la broche MOSI et
envoie les siens sur la broche MISO.
C'est le maître qui génère le signal d'horloge. Il est donc nécessaire que l'esclave soit capable de
s'adapter à la vitesse de transmission du maître.
La fréquence maximale de l'horloge que l'esclave est capable de suivre est en général indiquée dans
sa documentation.
La ligne MISO est donc occupée par les esclaves sélectionnés à tour de rôle (on sélectionne au plus
un esclave à la fois pour éviter les conflits).
Exemple de transmission
Dans cette transmission, il y a plusieurs type de signal:
SCK en haut est l'horloge gérée par le maître. Ici, les bits sont transmis sur le front montant,
MOSI et/ou MISO sont utilisés respectivement par le maître et l'esclave pour transmettre les bits,
SS est utilisé pour sélectionner l'esclave.
I2C
Présentation
I2C (Inter-Integrated Circuit)
Permet d'utiliser peu de câbles tout en parlant à de nombreux périphériques.
Série
Synchrone
Maître/esclave
Half-duplex
Débit limité à 400 kBits/s.
Branchements
Le câblage de l'I2C est le suivant:
Les broches sont:
SDA: Serial Data, données
SCL: Serial Clock, signal d'horloge
Avec I2C, seulement 2 câbles sont requis. Ce système est possible grâce aux résistances de tirage
et au fonctionnement en collecteur ouvert des broches.
Principe de fonctionnement
Si deux périphériques tentent d'écrire en même temps sur le bus, il y aura un conflit.
En effet, si l'un écrit un 0 et l'autre un 1, le résultat serait normalement un court-circuit.
I2C addresse ce problème avec un système en collecteur ouvert, dans lequel un signal sera soit:
Laissé libre (broche en "entrée" flottante),
Tirée à la masse (broche en "sortie" au niveau 0V.
D'un point de vue GPIO, ce serait équivalent à écrire 0 dans PORTx et à jouer sur le
registre DDRx pour soit passer la broche en sortie (tirée à la masse) ou en entrée (laissée libre).
Le bus étant relié à un niveau de logique haut à travers une résistance de tirage (par exemple à 3.3V ou 5V),
la laisser libre lui permet de remonter à ce niveau.
Une manière schématique d'imaginer ce système est de remplacer les transistors par des boutons:
Si au moins un des boutons est appuyé, le signal est tiré à la masse (et on lit 0).
Si aucun des boutons n'est appuyé, le signal est tiré par la résistance de tirage (et on lit 1). C'est la
raison pour laquelle il ne peut pas y avoir de conflit, ce montage agit comme un "OU" logique.
Le maître et l'esclave peuvent parler sur une même ligne, sans risque de conflit.
En observant une trame à l'oscilloscope, on ne pourrait pas distinguer les bits émis par le maître de ceux
émis par l'esclave.
Adressage
Le protocole I2C permettant de communiquer avec plusieurs périphériques, il est nécessaire de les identifier
de manière unique. Pour cela, chaque périphérique possède une adresse codée sur 7 bits.
Au début de chaque trame, le maître envoie l'adresse du périphérique avec lequel il souhaite communiquer.
Si l'esclave reconnait son adresse, il répondra à la requête. Sinon, il ignorera la trame.
Trames I2C
Le format électronique des trames est similaire à celui de SPI (SCL joue le rôle de SCK et SDA celui de MOSI/MISO).
En revanche, le contenu des trames doit suivre le schéma suivant:
Les étapes de l'envoi sont:
Tout d'abord, le maître démarre la transaction avec une condition start,
Il envoie ensuite l'adresse du périphérique avec lequel il souhaite communiquer,
Puis le bit r/w pour indiquer si la trame sera une lecture (de l'esclave vers le maître) ou une écriture
(du maître vers l'esclave),
L'esclave répond alors avec un acquittement, en amenant la ligne à 0,
La transaction commence alors, les données sont envoyées soit par le maître soit par l'esclave, et l'autre
acquitte la réception de chaque octet,
Enfin, le maître termine la transaction avec une condition stop.
Il est possible d'envoyer une nouvelle trame sans passer par une condition stop. C'est ce que l'on appelle
une condition restart.
Cette méthode permet d'assurer au maître qu'il garde la main sur le bus.
Si le maître souhaite envoyer une requête à un esclave afin qu'il lui réponde, il devra tout d'abord envoyer
une trame d'écriture, puis une trame de lecture.
Registres de périphériques
Que ce soit en UART, SPI ou I2C, il est très fréquent que le périphérique avec lequel on communique propose
un protocole orienté registres.
Cela signifie qu'un tableau de registres sera disponible dans la documentation du composant, et que le bus
de communication sera un moyen d'écrire et de lire dans ces derniers
Par exemple, dans la documentation du MMA8451, à la page 20, on peut trouver la
liste des registres disponibles.
UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) ou USART
Série
