delay() pose problème dans une loop()Fil rouge de l’atelier : un Pong, puis un Snake multijoueur.
Où trouver l’aide, ce qui vous attend, et pourquoi
doc.makerspace-amiens.fr, rubrique Ateliers, puis Microcontrôleurs.
Chaque slide se termine par une pastille qui ouvre la page correspondante. ↓ pour la page de l’atelier.
| Vous voulez… | Allez voir |
|---|---|
| Comprendre une notion | Un concept (GPIO, bus, machine à états…) |
| Faire, étape par étape | Le tutoriel du TD |
| Débloquer un problème | Un guide (carte introuvable, écran noir) |
| Une caractéristique d’un composant | Sa fiche de référence (XIAO, écran) |
| Le détail complet d’une puce | Sa datasheet, sur le site du fabricant |
La barre de recherche du site trouve une page par mot-clé. Le bouton Besoin d’aide ?, en bas à droite, ouvre l’assistant IA du MakerSpace.
Syllabus de l’atelier Récupérer une carte ESP32-S3
Un forum ou un assistant IA aide à chercher. Mais quand deux sources se contredisent, c’est la documentation du fabricant qui tranche.
| Séance | Durée | Ce que vous faites |
|---|---|---|
| CM1, CM2, CM3 | 3 × 1 h 30 | Les concepts, en cours |
| TD1 | 1 h 30 | Installer, flasher un premier programme |
| TD2 | 3 h | Tester les modules de la mallette |
| TD3 | 3 h | Concevoir votre carte sous KiCad |
| TD4 | 3 h | Souder la carte, y faire tourner un Pong |
| Projet | 24 h | Un Snake multijoueur, en binôme |
Les trois cours d’abord, puis les TD, puis le projet. Chaque étape s’appuie sur la précédente.
30 %
Les TD : chaque checkpoint validé en séance, dont les deux validations de votre carte
70 %
Le projet : le jeu, le joueur du navigateur, le code, le repo et la démonstration
Un checkpoint se valide en séance, sur votre montage : venir avec un travail qui marche.
Même sans programmer de microcontrôleur au quotidien, vous travaillerez avec ceux qui le font.
Percevoir, décider, agir
Aucun n’a besoin d’un « vrai » ordinateur. Ils ont besoin d’une puce à quelques euros, qui démarre instantanément et fait sa tâche en boucle.
Qu’est-ce qu’un microcontrôleur ?
flowchart LR
A["Percevoir<br/>(capteurs)"] --> B["Décider<br/>(le programme)"]
B --> C["Agir<br/>(actionneurs)"]
C -.-> A
Un thermostat perçoit la température, décide qu’il fait trop froid, agit en allumant le chauffage. Puis il recommence, indéfiniment.
Cette boucle, vous la retrouverez telle quelle dans votre Pong : lire le joystick, calculer la position de la balle, redessiner l’écran.
Qu’est-ce qu’un microcontrôleur ? Les capteurs
void loop() {
int temperature = lireCapteur(); // percevoir
if (temperature < 19) { // décider
allumerChauffage(); // agir
}
}
Le microcontrôleur ne sait rien faire tout seul. Sans programme, c’est une puce inerte : le seuil de 19 °C et ce qu’on en fait, personne ne les écrira pour vous.
| Terme | Ce que c’est | Exemples du projet |
|---|---|---|
| Capteur | Traduit une grandeur physique en signal électrique | bouton, joystick, potentiomètre |
| Actionneur | Transforme un signal électrique en action | LED, écran, moteur, buzzer |
| Broche (pin) | Une patte de la puce, reliée au monde extérieur | D5, D0 (GPIO6, GPIO1) |
| Programme | La suite d’instructions que vous écrivez | main.cpp |
Un bouton est un capteur, une LED est un actionneur.
Un microcontrôleur est jugé sur sa ponctualité, pas sur sa puissance.
Déterministe : les mêmes entrées produisent les mêmes actions, dans le même temps, à chaque tour. Sur un PC un retard de 200 ms passe inaperçu, ici il casse le système. Le temps réel, ce n’est pas « vite », c’est « à l’heure ».
Qu’est-ce qu’un microcontrôleur ?
| Ordinateur classique | Microcontrôleur | |
|---|---|---|
| Tâches | Des milliers, en même temps | Une seule, en boucle |
| Prix | Plusieurs centaines d’€ | Quelques euros, parfois centimes |
| Énergie | Se branche au secteur | Des mois sur une pile |
| Démarrage | Plusieurs secondes | Instantané |
| Système | Un OS complet | Aucun, en général |
C’est cette sobriété qui le rend si présent : on peut en mettre partout, pour presque rien, sans y penser.
Qu’est-ce qu’un microcontrôleur ?
Une seule tâche, du temps réel, très peu d’énergie, démarrage immédiat.
ESP32-S3, Arduino, STM32
Un vrai système d’exploitation (Linux), un écran, le réseau complet, beaucoup de mémoire.
Raspberry Pi
La question à se poser n’est pas « lequel est le plus puissant » mais « de quoi ai-je réellement besoin ». Un Raspberry Pi qui met 20 secondes à démarrer ne peut pas déclencher un airbag.
Qu’est-ce qu’un microcontrôleur ?
| Fabricant | Pays | Familles | Spécialité |
|---|---|---|---|
| STMicroelectronics | France / Italie | STM32 | Industrie, gamme immense |
| NXP | Pays-Bas | LPC, i.MX RT | Automobile, sans contact |
| Infineon | Allemagne | AURIX, PSoC | Automobile, puissance |
| Renesas | Japon | RA, RX | Automobile, Arduino Uno R4 |
| Microchip | États-Unis | PIC, AVR | L’ATmega de l’Arduino Uno |
| Espressif | Chine | ESP32 | Le Wi-Fi intégré, à bas coût |
Les cinq premiers se partagent l’essentiel du marché, tiré par l’automobile. D’autres règnent sur un créneau : Nordic pour le Bluetooth, Raspberry Pi pour l’éducation.
Qu’est-ce qu’un microcontrôleur ?
Pas le plus gros fabricant, mais la référence de l’objet connecté en Wi-Fi.
Qu’est-ce qu’un microcontrôleur ?
| Puce | Cœurs | Radio | Pour quoi |
|---|---|---|---|
| ESP32 | 2 × 240 MHz | Wi-Fi, Bluetooth | L’original, polyvalent |
| ESP32-S2 | 1 × 240 MHz | Wi-Fi | USB natif |
| ESP32-S3 | 2 × 240 MHz | Wi-Fi, BLE 5 | Le plus puissant en Wi-Fi |
| ESP32-C3 | 1 × 160 MHz | Wi-Fi, BLE 5 | Petit prix, cœur RISC-V |
| ESP32-C6 | 1 × 160 MHz | Wi-Fi 6, BLE, Thread | Maison connectée |
| ESP32-P4 | 2 × 400 MHz | Aucune | Multimédia |
S : performance, C : économique (RISC-V), P : haute performance sans radio. L’ESP32-S3 est le haut de la gamme connectée.
Qu’est-ce qu’un microcontrôleur ?
En contrepartie : il consomme plus qu’une puce basse consommation, et il vit en 3,3 V.
Qu’est-ce qu’un microcontrôleur ?
Vous programmez la puce. La carte de dev (XIAO) ajoute ce qu’il faut pour la brancher au PC. ↓ pour voir ce qu’elle contient.
La puce ESP32-S3 au centre, son quartz à 40 MHz, sa Flash de 8 Mo, l’antenne et les condensateurs de découplage. Schéma : Seeed Studio.
11 broches, D0 à D10, chacune avec plusieurs fonctions possibles. Image : Seeed Studio.
Relier une broche GPIO directement à du 5 V (un Arduino Uno, un capteur alimenté en 5 V) peut détruire la puce de façon irréversible. C’est l’erreur la plus fréquente et la plus coûteuse de l’atelier : avant de brancher un module, cherchez sa tension d’alimentation.
CPU, mémoires, périphériques, bus
Chaque concept de l’atelier détaille l’une de ces briques.
Architecture d’un microcontrôleur
| Bloc | Rôle | Accès logiciel |
|---|---|---|
| CPU | Exécute les instructions une par une | direct |
| Flash | Stocke le programme (persistant) | lecture à l’exécution |
| RAM | Variables, pile d’appels (volatile) | lecture/écriture rapide |
| Périphériques | GPIO, ADC, UART, SPI, PWM | via registres |
| Bus | Relie tout le monde | transparent sous Arduino |
Tout est sur le même silicium : un système sur puce. Il suffit de l’alimenter.
Architecture d’un microcontrôleur
Fetch : aller chercher en Flash l’instruction suivante, à l’adresse indiquée par le compteur de programme.
Decode : comprendre ce que l’instruction demande, et sur quelles données.
Execute : calculer dans l’ALU, ou transférer une donnée. Puis recommencer, 240 millions de fois par seconde.
Au fond, un CPU ne fait que deux choses : calculer, et déplacer des octets d’un endroit à un autre.
Architecture d’un microcontrôleur
| Opération | Ordre de grandeur |
|---|---|
| Une multiplication entière | un ou deux cycles |
Un digitalWrite() |
quelques dizaines de cycles |
| Redessiner l’écran 240 × 320 en SPI | quelques millions de cycles |
| Établir une connexion Wi-Fi | plusieurs centaines de millions |
À 60 images par seconde, chaque image dispose de 4 millions de cycles.
Architecture d’un microcontrôleur
Chaque front fait avancer le CPU d’un pas : 240 millions de fois par seconde.
Architecture d’un microcontrôleur
setup()/loop() tournent sur le cœur 1, le Wi-Fi occupe le cœur 0 en arrière-plan, sous la conduite d’un petit noyau (FreeRTOS)C’est ce qui permet à un capteur sur pile de tenir des mois : il dort 99,9 % du temps.
Architecture d’un microcontrôleur
| Flash | RAM (SRAM) | |
|---|---|---|
| Contenu | Programme compilé, constantes | Variables, pile, heap |
| Persistance | Survit au reset | Perdue à l’extinction |
| Vitesse | Plus lente | Très rapide |
| Taille | 8 Mo | 512 Ko (+ 8 Mo PSRAM) |
Deux espaces d’adressage séparés : une architecture Harvard modifiée. ↓ pour les situer sur le schéma-bloc.
Architecture d’un microcontrôleur
Repérez la ROM (le programme de démarrage gravé en usine), la SRAM interne, et le lien vers la Flash et la PSRAM, externes à la puce.
Architecture d’un microcontrôleur
| Sigle | Nom complet | Rôle |
|---|---|---|
| GPIO | General Purpose Input/Output | Entrée ou sortie numérique |
| ADC | Analog to Digital Converter | Tension vers nombre |
| UART / I2C / SPI | Bus série | |
| Timer | Compteur matériel | Événements périodiques, PWM |
| DMA | Direct Memory Access | Transfert sans le CPU |
| RTC | Real-Time Clock | Horloge, même en veille |
| Watchdog | Chien de garde | Redémarre si blocage |
Chaque sigle aura sa slide au CM2 ou au CM3.
Architecture d’un microcontrôleur
Contrairement à l’ESP32 d’origine, l’ESP32-S3 n’a pas de convertisseur numérique-analogique matériel. Pour produire une tension variable, il faudra passer par du PWM, qu’on verra au CM2.
flowchart TB
CPU["CPU (pilote le bus)"]
BUS["Bus partagé : adresses · données · contrôle"]
RAM["RAM"]
PA["Périph. A<br/>(émetteur actif)"]
PB["Périph. B<br/>(haute impédance)"]
CPU --- BUS
BUS --- RAM
BUS --- PA
BUS --- PB
Trois faisceaux : l’adresse dit à qui on parle, les données transitent, le contrôle précise « je lis » ou « j’écris ».
Architecture d’un microcontrôleur
Si deux périphériques poussaient une valeur en même temps sur le bus de données, l’un forçant un 0 et l’autre un 1, ce serait un court-circuit.
D’où les sorties trois états : en plus de 0 et 1, un état de haute impédance qui déconnecte électriquement le composant de la ligne.
À tout instant, un seul émetteur est actif ; tous les autres sont à l’écoute. C’est l’adresse qui désigne celui qui a le droit de répondre.
Retenez le mot haute impédance : il reviendra au CM2 avec les entrées flottantes, et au CM3 avec l’I2C.
Architecture d’un microcontrôleur
Chaque périphérique se pilote par des registres : de simples cases mémoire à une adresse fixe.
digitalWrite(LED, HIGH) écrit dans le bon registreRanger une variable et allumer une LED : la même opération, poser une valeur à une adresse.
Architecture d’un microcontrôleur
Un registre de 32 bits pilote souvent 32 choses à la fois : un bit par broche, un bit par option. On ne touche qu’au bit visé, avec les opérateurs bit à bit du C :
reg |= (1 << n); // met le bit n à 1, sans toucher aux autres
reg &= ~(1 << n); // met le bit n à 0
reg ^= (1 << n); // inverse le bit n
if (reg & (1 << n)) // teste le bit n
C’est la langue des fiches techniques : le manuel de référence décrit chaque registre bit par bit.
Architecture d’un microcontrôleur
reg |= (1 << n)L’instruction combine trois opérations :
1 << n : la valeur 1 (00000001) décalée de n positions vers la gauche. Pour n = 3 : 00001000. C’est un masque : seul le bit visé vaut 1.| : 1 OU x donne 1, donc le bit visé passe à 1 ; 0 OU x donne x, donc les autres ne changent pas.|= : le raccourci de reg = reg | (1 << n);.Architecture d’un microcontrôleur
On veut mettre le bit 3 à 1, sans toucher aux autres :
reg 1010 0001
1 << 3 0000 1000 le masque
reg | masque 1010 1001 seul le bit 3 a changé
Les bits se numérotent de droite à gauche, en partant de 0. La même idée sert pour les autres lignes : & ~masque met le bit à 0, ^ masque l’inverse, & masque le teste.
Architecture d’un microcontrôleur
Les huit premiers bits d’un registre de 32 : seul le bit visé change.
Architecture d’un microcontrôleur
digitalWrite(), une écrituredigitalWrite(21, HIGH); // la version Arduino
REG_WRITE(GPIO_OUT_W1TS_REG, 1 << 21); // le registre, directement
REG_WRITE(GPIO_OUT_W1TC_REG, 1 << 21); // remet la broche à 0
GPIO_OUT_W1TS_REG n’est qu’un nom pour l’adresse 0x60004008. W1TS : write 1 to set, seuls les bits écrits à 1 passent à 1, les autres ne bougent pas.
Pourquoi pas GPIO_OUT_REG |= ... ? Il faut lire, modifier, réécrire : si une interruption change le registre entre-temps, sa modification est perdue. W1TS le fait en une seule écriture.
Architecture d’un microcontrôleur ESP32-S3 Technical Reference Manual
loop()const| Ce que vous écrivez | Où ça vit | Combien de temps |
|---|---|---|
| Le code, les chaînes écrites en dur | Flash | survit au reset |
const uint16_t SPRITE[] = {...}; |
Flash | survit au reset |
int score; en dehors des fonctions |
RAM | tout le programme |
int i; dans une fonction |
RAM, sur la pile | le temps de l’appel |
Le mot const déplace un grand tableau de la RAM vers la Flash : précieux pour les images d’un jeu.
Architecture d’un microcontrôleur
String, le Wi-FiUn grand tableau déclaré dans une fonction peut faire déborder la pile : la puce redémarre. Dans un jeu, préférez des variables globales de taille fixe.
Architecture d’un microcontrôleur
Si la pile et le tas se rejoignent, la puce redémarre.
Architecture d’un microcontrôleur
Compiler, flasher, exécuter
Ce qui change, c’est quand le code est traduit en instructions pour le processeur.
Uno, Nano, Mega : des cartes de développement, souvent autour d’un ATmega
L’Arduino IDE, pour écrire, compiler et téléverser
setup(), loop(), digitalWrite()… porté sur des centaines de puces, dont l’ESP32-S3
Dans l’atelier, on utilise le framework (Arduino-ESP32), avec PlatformIO. Ni la carte, ni l’IDE.
| Arduino Uno | XIAO ESP32S3 | |
|---|---|---|
| Processeur | ATmega328P, 8 bits, 16 MHz | ESP32-S3, 2 cœurs 32 bits, 240 MHz |
| RAM | 2 Ko | 512 Ko + 8 Mo |
| Wi-Fi, Bluetooth | Non | Oui |
| Tension logique | 5 V | 3,3 V |
| Taille | 69 × 53 mm | 21 × 18 mm |
Le framework Arduino apporte la simplicité ; l’ESP32-S3, la puissance et le Wi-Fi qu’exigent un écran couleur et le joueur du navigateur.
Qu’est-ce qu’un microcontrôleur ?
Le compilateur traduit tout le programme avant, sur votre PC, en code machine.
La puce l’exécute directement.
Un interpréteur traduit le code pendant l’exécution, au fur et à mesure.
Il doit tourner sur la machine qui exécute.
flowchart LR
A["Code source<br/>(.cpp)"] --> B["Compilateur<br/>(gcc-xtensa)"]
B --> C["Binaire<br/>(.bin)"]
C --> D["Flashage<br/>(USB / UART)"]
D --> E["Exécution<br/>ESP32-S3"]
Un clic sur Upload déclenche les quatre étapes, toujours dans cet ordre. Quand quelque chose échoue, la première question est : à quelle étape ?
| Élément | Rôle |
|---|---|
| Compilateur (gcc pour Xtensa) | Traduit le C++ en instructions machine |
| Core Arduino | Fournit pinMode(), digitalWrite(), analogRead() |
| Uploader (esptool) | Transfère le binaire vers la Flash, par USB |
L’IDE ne fait qu’orchestrer ces trois outils. Arduino IDE ou PlatformIO, la chaîne reste la même : compiler, flasher, exécuter.
#include et les #define, colle le contenu des bibliothèquesSavoir les distinguer, c’est savoir lire une erreur. C’est la compétence la plus rentable du semestre.
| Message | Étape | Cause probable |
|---|---|---|
expected ';' before ... |
compilation | une faute de syntaxe, souvent une ligne avant |
'x' was not declared |
compilation | variable mal orthographiée, ou #include manquant |
undefined reference to ... |
édition de liens | bibliothèque absente de lib_deps |
A fatal error occurred: Failed to connect |
flashage | mauvais port, câble sans data, bouton BOOT |
Corrigez la première erreur, pas les 40 suivantes.
RAM: [= ] 6.0% (used 19736 bytes from 327680 bytes)
Flash: [= ] 8.1% (used 270213 bytes from 3342336 bytes)
========== [SUCCESS] Took 4.21 seconds ==========
Un simple Blink pèse déjà 270 Ko : le core Arduino, FreeRTOS et les pilotes USB sont compilés avec vos dix lignes.
Valeurs indicatives sur la XIAO ESP32S3. Surveillez ces deux lignes quand vous ajouterez des images.
Dans l’ordre : vérifiez que le câble USB-C transporte des données (beaucoup de câbles ne font que charger), que le bon port est sélectionné, puis forcez le mode téléversement : débranchez la XIAO, maintenez BOOT en rebranchant le câble, relâchez et relancez l’upload. Appuyez ensuite sur RESET pour lancer le programme.
void setup() { // une seule fois, au démarrage
pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
Serial.begin(115200);
}
void loop() { // en boucle, jusqu'à la coupure
digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
delay(500);
digitalWrite(LED_PIN, LOW);
delay(500);
}
Pas de main() : le core Arduino l’écrit, et appelle setup() puis loop(). Sous PlatformIO, main.cpp commence par #include <Arduino.h> : sans elle, aucune de ces fonctions n’existe.
Sur un ordinateur, votre programme est un processus parmi des centaines. Ici, c’est le seul programme de la puce :
loop()delay() met cette tâche en pause : rien de votre programme n’avance, boutons comprisEn contrepartie, votre code est seul maître de son temps : son comportement est prévisible.
void loop() {
digitalWrite(LED, HIGH);
delay(500);
digitalWrite(LED, LOW);
delay(500);
if (digitalRead(BOUTON) == LOW) {
tirer();
}
}
Le programme passe 1 seconde sur 1 dans les delay(). Le digitalRead() n’est atteint qu’une fois par tour.
delay(), c’est de ne jamais bloquer
unsigned long dernierClignotement = 0;
const unsigned long INTERVALLE = 500; // ms
int etatLed = LOW;
void loop() {
if (millis() - dernierClignotement >= INTERVALLE) {
dernierClignotement = millis();
etatLed = !etatLed;
digitalWrite(LED_PIN, etatLed);
}
}
On compare l’heure à une date mémorisée : rien n’est jamais figé.
Même LED, même cadence : seul le second programme voit encore le bouton.
int, c’est combien ?| Type | Arduino Uno (8 bits) | ESP32-S3 (32 bits) |
|---|---|---|
int |
16 bits, jusqu’à 32 767 | 32 bits, jusqu’à 2,1 milliards |
long, unsigned long |
32 bits | 32 bits |
uint8_t |
8 bits, de 0 à 255 | identique |
uint32_t |
32 bits | identique |
La taille d’un int dépend de la puce : le même code peut déborder sur l’une et pas sur l’autre. Les types de <stdint.h> (uint8_t, int16_t, uint32_t) ont la même taille partout : utilisez-les dès que la taille compte.
millis() fait le tour du cadranmillis() renvoie un entier non signé de 32 bits : il repasse à 0 au bout de 2³² ms, soit 49,7 jours.
if (millis() - dernierClignotement >= INTERVALLE) // juste, toujours
if (millis() >= dernierClignotement + INTERVALLE) // faux au passage à 0
La soustraction de deux non signés donne l’écart réel même si le compteur a fait le tour, comme sur une horloge : de 23 h à 1 h, il s’est écoulé 2 h.
Écrivez toujours maintenant - date >= durée.
Comme sur une horloge : de 23 h à 1 h, il s’est écoulé 2 h.
Pour une pause courte et unique (initialiser un composant, attendre au démarrage), delay() est parfaitement acceptable. C’est dans la loop(), quand plusieurs tâches doivent avancer en parallèle, qu’il faut l’éviter.
volatile bool appuiDetecte = false;
void IRAM_ATTR surAppui() {
appuiDetecte = true; // aussi court que possible
}
void setup() {
pinMode(BTN_PIN, INPUT_PULLUP);
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(BTN_PIN), surAppui, FALLING);
}
Sur un front du bouton, le matériel suspend loop(), exécute cette fonction très courte, puis reprend exactement où il s’était arrêté. IRAM_ATTR la place en RAM interne : sans lui, la puce finit par planter.
Architecture d’un microcontrôleur GPIO et monde numérique
L’ISR note, loop() traite.
Architecture d’un microcontrôleur
loop() : delay() la fige, millis() ne bloque rienArchitecture d’un microcontrôleur Du matériel au logiciel
espressif32 : c’est long, ne le faites pas au dernier momentUne chaîne de développement qui fonctionne avant de manipuler, c’est une séance entière de gagnée.
Installer VSCode Installer PlatformIO Vérification de la toolchain
