Schéma‑bloc d'une broche d'entrée‑sortie

Le schéma‑bloc ci‑dessous illustre l'implémentation matérielle d'une broche Pxn – c'est‑à‑dire la broche nº n du port d'entrée‑sortie numérique x (B, C…) du microcontrôleur Atmel ATmega328p, lequel équipe notamment les cartes Arduino Uno et Nano (cf. chap. C1‑III ).

Ce schéma consiste principalement en trois registres 1-bit implémentés par des bascules D W :

1. le registre DDxn qui mémorise le mode configuré de la broche en entrée (bit à 0) ou en sortie (bit à 1) ;
2. le registre PORTxn qui mémorise la valeur (c'est‑à‑dire le niveau logique 0 ou 1) d'écriture en sortie ; ce registre dispose également d'un circuit de lecture ;
3. le registre DDxn qui mémorise la valeur (c'est‑à‑dire le niveau logique 0 ou 1) de lecture en entrée ;
• un trigger de Schmitt assure la discrétisation en niveaux logiques du signal de tension présent sur la broche ;
• le registre est synchronisé avec l'horloge du microcontrôleur (sa valeur est figée entre deux tops d'horloge).

De plus, ce schéma comprend un résistor de pull‑up W d'environ 20 kΩ pour référencer le niveau de tension de la broche au potentiel de référence haut. Elle est activée ou déactivée par le signal PUD.

Ainsi, conformément à son schéma électronique, on a les correspondances ci‑dessous pour la carte Arduino Uno R3 A, qui est dotée d'un microcontrôleur Atmel ATmega328P :

Dans un premier temps, il n'est pas nécessaire de connaître ce genre de correspondance pour programmer une carte Arduino : quel que soit le modèle, les numéros de broches de la carte sont pris en charge par les fonctions Arduino de lecture et d'écriture sur les ports de la carte (cf. infra ) ainsi que des pseudo‑constantes qui ciblent directement les différentes broches des ports du microcontrôleur.

Pour plus de détails, on pourra consulter le schéma électronique de la carte disponible au lien suivant A.

Schéma de brochage d'une carte de développement

Cas de la carte Arduino Uno R3

Un schéma de brochage de la carte Arduino Uno, restitué partiellement ci‑dessous, est disponible sur le site du constructeur A.

À chaque broche sont associés un ou plusieurs numéros avec un code de couleurs pour distinguer sa ou ses différentes fonctionnalités. À titre d'exemple, on peut faire les observations suivantes :

• Les broches 18 et 19 du port numérique de la carte sont en fait respectivement reliées aux broches PC4 et PC5 du port C du microcontrôleur Atmel ATMega382P.
Attention ! Sur la figure, les numéros des broches des ports numériques sont précédées du préfixe « D » pour digital, mais ce dernier ne doit pas être codé dans les programmes.
• De plus, ces broches constituent respectivement celles dites SDA (Serial data) et SCL (Serial clock) du bus SPI (cf. chap. C4‑VII ) embarqué dans le microcontrôleur.
• Enfin, ces broches sont des duplications de celles situées en bas sur la rangée de gauche, et ce faisant, elles correspondent aussi respectivement aux broches A4 et A5 du port analogique de la carte.

Pour s'en convaincre, on peut simuler sur Tinkercad le montage représenté sur la figure ci‑contre de test de la broche 18 (numéro non inscrit sur la carte) employée comme sortie booléenne pour alimenter une led.

Le programme associé consiste simplement à coder la valeur 18 (ou encore A4) comme premier argument dans l'appel des fonctions pinMode et digitalWrite (que l'on va détailler plus loin dans le chapitre).

void setup()
{
  pinMode(18, OUTPUT);
  digitalWrite(18, HIGH);
}
  
void loop() {}

On peut alors constater que la led s'allume comme prévu.

Cas des autres cartes Arduino

• L'étiquetage des broches est le même ; faute de place, il est juste moins visible et moins détaillé sur les cartes miniatures comme la Nano.
• Dans tous les cas, il suffit de se rapporter au diagramme de brochage du modèle de carte, qu'on trouve facilement sur le site du constructeur.
• En cas de doute sur l'existence de tel ou tel identificateur, on peut se rapporter au fichier d'en‑tête pin_Arduino.h spécifique à tel ou tel modèle de carte, disponible sur GitHub ; par exemple, celui pour une Mega G.
Toutefois, attention ! Pour une carte Due, le fichier pin_Arduino.h est vide mais renvoie à un autre nommé variant.h G.

Cas d'une carte à module ESP8266

Un schéma de brochage d'une carte de développement de type NodeMCU à module ESP8266‑12E est donné ci‑dessous et à ce lien .

Globalement, le module ESP‑12 embarqué sur la carte (ici, de type ESP‑12E) possède 17 broches numériques numérotées de 0 à 16. Ces numéros GPIO  – pour general‑purpose input output – ne sont pas inscrits sur la carte mais peuvent être directement utilisés comme argument des fonctions Arduino pinMode, digitalWrite, etc.
Le module comporte aussi 1 broche analogique ADC qui n'est pas polyvalente.
Toutes ces broches sont reliées à celles de la carte, soit directement, soit via divers circuits élémentaires.

Sur la rangée de droite de la carte, les broches du port numériques font l'objet d'une numérotation spéciale avec le préfixe D (pour digital). Dans le code d'un programme, cette numérotation peut être utilisée pour identifier les broches comme arguments des fonctions Arduino grâce à la définition de constantes déclarées dans le fichier d'en‑tête pin_arduino.h spécifique aux cartes à module ESP‑12 (cf. la capture d'écran ci‑contre et le lien suivant G). Les valeurs de ces constantes correspondent aux numéros GPIO indiqués sur les schémas ci‑dessus.

Sur cette rangées, la plupart des broches ont de multiples fonctionnalités qui ne sont pas utilisables simultanément. Cela restreint leur possibilités d'emploi en tant qu'entrées‑sorties numériques.

En particulier, les broches TX et RX, correspondant respectivement aux numéros 1 et 3 GPIO sont dévolues à la liaison série de la carte avec le poste de travail. Comme sur une carte Arduino (cf. supra ), elles ne doivent être reliées à aucun dispositif durant le téléversement du programme et l'exploitation du moniteur série.

En définitive, seules les broches D1 D2 D5 D6 D7 sont réellement polyvalentes. Pour plus de détails, on pourra se reporter au tableau dressé à ce lien .


La carte possède deux led intégrées qui sont toutes les deux de couleur bleu et câblées en logique négative (elles sont allumées lorsque leur broche associée est au niveau logique LOW) :
• L'une est embarquée sur le module ESP‑12 (à droite de l'antenne Wi‑Fi) et associée à la broche D4 ; elle peut aussi être identifiée par la pseudo‑constante LED_BUILTIN.
• L'autre est embarquée sur la carte (à gauche du circuit CP1202) et associée à la broche D0 ; elle peut aussi être identifiée par la pseudo‑constante LED_BUILTIN_AUX.
La carte possède également deux boutons‑poussoirs situés de part et d'autre du connecteur USB (cf. la figure ci‑dessus).
• À gauche, le bouton RST (pour reset) qui permet, comme sur une carte Arduino, de réinitialiser l'exécution du programme utilisateur (cf. chap. C1‑III ). Il est relié à la broche RST juste à côté sur la rangée de gauche.
• À droite, le bouton FLASH est prévu pour divers usages spécifiques de téléversement.
• Il permet de forcer le téléversement du programme utilisateur durant la phase de connexion avec le poste de travail (cf. ce lien , section Troubleshooting).
• Il permet aussi, durant la phase de démarrage de la carte, de passer en mode téléversement du bootloader W.
Ce bouton est relié à la broche D3 du port numérique. Il est donc possible d'utiliser ce bouton comme dispositif d'entrée dans un programme.
Ces deux boutons sont l'un et l'autre câblés en logique négative – autrement dit, leur broche associée est par défaut au niveau logique HIGH et un appui sur le bouton provoque un front descendant du signal de tension sur la broche.
• La rangée de gauche comporte diverses broches dont seulement 2 peuvent être utilisées comme entrées‑sorties numériques :
• Tout en haut se trouve la seule broche d'entrée analogique A0 ; elle ne peut pas être utilisée comme broche numérique.
• Juste en dessous se trouvent deux broches RSV – pour « reserved ». En principe, elles ne sont reliées à aucun dispositif et n'existent que pour des questions de dimensions (form factor). Toutefois, c'est la broche RSV voisine de A0 est reliée à la broche ADC du module ESP‑12 ; elle permet de réaliser un pont diviseur de tension pour étendre l'échelle de tension analogique à environ 3,1 V que l'on peut appliquer sur la broche A0 de la carte.
• On trouve ensuite deux broches SD2 et SD3 (pour serial data) qui sont reliées respectivement aux broches 9 et 10 du module module ESP‑12. Elles peuvent être utilisées comme entrées‑sorties numériques.
• Ensuite, les quatre broches CLK SD0 CMD SD1 sont reliées respectivement aux broches 6 7 11 8 du module ESP‑12. Mais elles ne peuvent pas être utilisées comme entrées‑sorties numériques car elles sont dévolues au bus de communication SPI qui relie le microcontrôleur ESP8266 à la puce de mémoire flash embarquée dans le module ESP‑12.
Remarque : il faut ne pas confondre ces quatre broches avec celles sur l'autre rangée, D5 à D8 qui permettent de mettre en œuvre un bus SPI pour connecter la carte à toutes sortes de dispositifs (capteurs, écran, etc.)
• Enfin, les broches GND 3V3 VIN etc. sont dédiées à l'alimentation des montages et/ou de la carte, ainsi qu'à la réinitialisation du programme. Elles sont équivalentes à celles que l'on trouve sur une carte Arduino.

Cas d'une carte à module ESP32

Un schéma de brochage d'une carte de développement de type NodeMCU à module ESP32 (ici, de type ESP‑32‑WROOM) est donné ci‑dessous et à ce lien .

Globalement, le module ESP32 (de type ESP‑32‑WROOM) embarqué sur la carte possède 32 broches numériques numérotées de 0 à 39, avec quelques numéros absents (20, 24, 28 à 31, 37 et 38). C'est la numérotation GPIO  – general‑purpose input output qui, comme pour un module ESP8266, peut être directement utilisée pour coder les arguments des fonctions Arduino pinMode, digitalWrite, etc.

Pour la plupart, ces broches sont très polyvalentes : 16 d'entre elles peuvent être utilisées comme entrées analogiques. C'est pourquoi il n'est pas pertinent de faire une distinction entre « port numérique » et « port analogique » sur une carte à module ESP32 ; ici, il est vraiment préférable de parler de GPIO (general purpose input output).

Toutefois, du fait que la carte comporte seulement 30 broches en tout (en comptant celles d'alimentation), on a 7 broches GPIO qui ne sont pas reliées à celles de la carte :
• la broche 0 ;
• les broches 6 à 11, sachant que de toute façon, elles ne pourraient pas être utilisées comme entrées‑sorties numériques ou analogiques car elles sont dévolues au bus de communication SPI qui relie le microcontrôleur ESP32 à la puce de mémoire flash embarquée dans le module ESP‑32‑WROOM.
• Sur la carte, à l'exception de quelques broches particulières comme celles type « TX » ou « RX », les broches GPIO sont toutes libellées avec un préfixe D suivi de leur numéro. Et attention ! Contrairement à une carte à module ESP8266 :
• il n'y a pas de numérotation spéciale, c'est bien le numéro GPIO de chaque broche qui est inscrit sur la carte ;
• dans les programmes, il faut ne pas coder le préfixe D pour identifier une broche comme argument de fonction Arduino ; en effet, le fichier d'en‑tête pins_arduino.h G ne définit aucune constante ou pseudo‑constante préfixée par D.
Parmi ces broches, seulement 18 sont réellement polyvalentes. En particulier, il faut tenir compte du fait que :
• les broches TX0 et RX0 (respectivement 1 et 3) sont dévolues à la liaison série avec le poste de travail ;
• les broches D34 35 VP VN (respectivement 34 35 36 39), peuvent être utilisées seulement comme entrées.
Pour plus de détails, on pourra consulter le tableau au lien suivant .

La carte possède deux led intégrées, une rouge et une bleue (cf. la figure ci‑contre).
• La led rouge (à gauche) –  qu'on pourrait libeller « ON » – signale la mise sous tension de la carte. Elle n'est reliée à aucune broche du microcontrôleur et ne peut donc pas être utilisée dans un programme.
• La led bleue (à droite) est câblée en logique positive à la broche D2 et peut donc être utilisée en programmation. Toutefois, elle n'est référencée par aucune constante ou pseudo‑constante dans un fichier de bibliothèque (l'identificateur LED_BUILTIN n'est pas défini pour carte à module ESP32).
La carte possède également deux boutons‑poussoirs situés de part et d'autre du connecteur USB (cf. la figure ci‑dessus).
• À gauche, le bouton EN (pour enable) permet de réinitialiser l'exécution du programme utilisateur – autrement dit, la fonctionnalité reset, comme sur une carte Arduino ou à module ESP8266. Il est relié à la broche EN tout en haut de la rangée de gauche.
• À droite, le bouton BOOT est prévu pour divers usages spécifiques de téléversement.
• Il permet de forcer le téléversement du programme utilisateur durant la phase de connexion avec le poste de travail Y.
• Il permet aussi, durant la phase de démarrage de la carte, de passer en mode téléversement du bootloader W.
Ce bouton est relié à la broche GPIO 0 du module ESP32, mais comme cette broche n'est pas déployée sur la carte, ce bouton ne peut pas être utilisé comme dispositif d'entrée dans un programme.
Comme sur une carte à module ESP8266, ces deux boutons sont l'un et l'autre câblés en logique négative – autrement dit, leur broche associée est par défaut au niveau logique HIGH et un appui sur le bouton provoque un front descendant du signal de tension sur la broche.

Cas d'une carte à module ESP32

Ces pseudo‑constantes sont définies dans le fichier d'en‑tête esp32-hal-gpio.h G (lignes nº 44 à 55). Leurs valeurs forment des masques pour agir par des opérations logiques bit à bit (cf. chap. C3‑III ) sur un mot binaire qui mémorise la configuration d'une broche.

Cas d'une carte à module ESP8266