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.

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 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.

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 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 

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

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

Viited 

Wi-Fi