インターフェース2020年1月号のESP32特集のうち、筆者が担当した箇所の内容について説明します。

1. ESP32特集の内容紹介
インターフェース オフ会 @ CQ出版
2020/01/17
Kenta IDA (@ciniml)

2. 自己紹介
•井田 健太 (@ciniml)
•仕事：FPGAの論理設計？
•使用言語：C++, SystemVerilog, Go, Python
• 元は組み込み？ソフト屋
2020/1/17ESP32特集の内容紹介

3. 特集の担当箇所
•インターフェース2020年1月号 ESP32特集
• 第1部第3章内コラム
• ESP32-S2の紹介
• 第3部第4章
• ESP32リアルタイム処理の研究
2020/1/17ESP32特集の内容紹介

4. ESP32-S2の紹介
2020/1/17ESP32特集の内容紹介

5. ESP32-S2とは
•ESP32シリーズの新しいSoC
•従来ESP32との違い
• CPUコアの更新 (Xtensa LX6 → Xtensa LX7)
• CPUコアがシングルコアの系統のみ
• 従来のESP32-S系の後継
• USB OTGサポート
• ULPコアが独自コアからRISC-Vに
2020/1/17ESP32特集の内容紹介

6. CPUコアの変化
•CPUコアが新しい世代のものになった
• Xtensa LX7
•特に性能が大きく変わることもなさそう
• LX7の資料は見つかるがLX6の資料はあまり出てこない
•動作周波数は従来通り、最大240[MHz]
•シングルコア版のみ
2020/1/17ESP32特集の内容紹介

7. USB OTGサポート
•USB2.0 FS OTGのペリフェラルが追加された
• USB2.0 (Full Speedまで)
• USB Host/Device機能が使えるように
•SPI接続のUSBコントローラが不要になる
•現時点ではAPI等がどうなるか不明
• ESP-IDFの開発版にも特にコードが見当たらない
2020/1/17ESP32特集の内容紹介

8. ULPコアの変更(1/3)
•ULP (Ultra Low Power)コプロセッサ
• Deep sleep中でも動かすことができるコプロセッサ
• センサの値読み出し→判定→スリープ解除などに使う
• 中にはサウンド・ドライバ用のコプロセッサとして使う人も
2020/1/17ESP32特集の内容紹介

9. ULPコアの変更(2/3)
•従来は独自のコア
• かなり使いにくい命令セット
• bitwise NOTとかが無いので
SUBとADDで代用したり
• 当然Cコンパイラなど使えない
2020/1/17ESP32特集の内容紹介

10. ULPコアの変更(3/3)
•ESP32-S2ではRISC-V系コアに変更 (RV32IMC)
• 32bitレジスタ32本、かなり普通の命令セット、乗算命令あり
•おそらくCコンパイラが使える
•詳細は不明だが処理性能は向上している模様
• センサ読み出し処理で平均消費電流が低下
• 100[uA] → 7[uA]
• 動作中の消費電流は増えたが、短時間で処理完了できる
2020/1/17ESP32特集の内容紹介

11. 現時点での状況
•まだモジュールの発表はない
• 一部ユーザーにES品を提供している模様
•工事設計認証済みモジュールの供給までは
まだしばらく時間がかかると思われる
2020/1/17ESP32特集の内容紹介

12. ESP32リアルタイム処理の研究
2020/1/17ESP32特集の内容紹介

13. 発端
•M5StickCの内蔵6軸IMUを使って計測処理
• 6軸IMUから一定周期でデータ取得
• 計測データを無線LANでPCに送信
• 計測値 + タイムスタンプ
•なぜかタイムスタンプがばらつく…
2020/1/17ESP32特集の内容紹介

14. 処理内容
•周期的にセンサの値を読み出したい
• 信号処理のため周期の揺らぎは減らしたい
•タイマー割り込みはちょっと面倒そう
•ESP-IDFのドキュメントを眺める
•高分解能タイマとかいうのを見つける
• 高分解能だし今回の用途に良さそう
2020/1/17ESP32特集の内容紹介

15. 高分解能タイマ
•ESP-IDFの機能の1つ
•マイクロ秒単位の周期で指定した処理を実行
• ただし、周期は100[us]以上でないと厳しい
•esp_timer_で始まるAPIで使える
2020/1/17ESP32特集の内容紹介

16. 高分解能タイマの周期処理の精度
•周期処理開始時の時刻のばらつきを計測
• 無線LAN通信の動作パターンごと
• UDP通信あり・なし
• アクセスポイント検索
• 無線LAN無効
•使い物にならないほどばらつく
2020/1/17ESP32特集の内容紹介
表 2: 高分解能タイマのインターバル
動作パ
ターン
平均値
[us]
最大値
[us]
最小値
[us]
udp 500 1356 6
noudp 500 2339 7
apsca
n
500 12226 6
nowifi 500 550 450

17. ばらつく原因と対策
•高分解能タイマの実装の問題
•指定した処理を
無線通信よりも低い優先度でPRO CPUで実行
• 無線通信処理はPRO CPUで実行される
• →無線通信処理中は処理時刻が来ても実行されない
•対策：仕方ないのでタイマ割り込みを使う
2020/1/17ESP32特集の内容紹介

18. タイマ割り込みを使う場合
•timer_isr_register 関数で割り込みハンドラを指定
• ハンドラはtimer_isr_registerを呼び出したコアで実行される
•割り込みハンドラ内で時間のかかる処理はできない
• 他の処理に影響がでる
• 正にその時刻に実行する必要のある処理だけ実行
• e.g. センサの測定処理
• 時間のかかる処理は高優先度のタスクで実行する
• e.g. 測定結果の信号処理、送信処理など
2020/1/17ESP32特集の内容紹介

19. “時間のかかる処理”の実行方法
•ハンドラから高優先度のタスクに通知する
• FreeRTOSのxTaskNotifyFromISRなど
•高優先度のタスクの優先度はどれくらい？
• 無線LAN処理 (優先度23) より高い優先度が必要
• 通信処理とは別のコアの方が良い
•試しに優先度22, 24でPRO CPU, APP CPUで計測
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20. 割り込みのインターバルとタスク実行の遅延
動作パターン 遅延 平均値[us] 遅延 最大値[us] 遅延 最小値[us]
インターバル 平均
値[us]
インターバル 最大
値[us]
インターバル 最小
値[us]
PRO_CPU,22,udp 20 919 14 500 513 497
PRO_CPU,22,nou
dp
20 1816 14 500 514 498
PRO_CPU,22,apsc
an
20 12432 14 500 775 497
PRO_CPU,22,now
ifi
14 16 14 500 502 498
PRO_CPU,24,udp 14 33 14 500 513 497
PRO_CPU,24,nou
dp
14 32 13 500 696 497
PRO_CPU,24,apsc
an
14 32 14 500 949 497
PRO_CPU,24,now
ifi
14 14 14 500 500 499
APP_CPU,22,udp 14 321 14 500 509 498
APP_CPU,22,nou
dp
14 24 14 500 501 498
APP_CPU,22,apsc
an
14 24 13 500 502 498
APP_CPU,22,nowi
fi
14 19 14 500 501 499
APP_CPU,24,udp 14 30 13 500 509 497
APP_CPU,24,nou
dp
14 19 14 500 502 498
2020/1/17ESP32特集の内容紹介

21. 割り込みのインターバルとタスク実行の遅延
動作パターン 遅延 平均値[us] 遅延 最大値[us] 遅延 最小値[us]
インターバル 平均
値[us]
インターバル 最大
値[us]
インターバル 最小
値[us]
PRO_CPU,22,udp 20 919 14 500 513 497
PRO_CPU,22,nou
dp
20 1816 14 500 514 498
PRO_CPU,22,apsc
an
20 12432 14 500 775 497
PRO_CPU,22,now
ifi
14 16 14 500 502 498
PRO_CPU,24,udp 14 33 14 500 513 497
PRO_CPU,24,nou
dp
14 32 13 500 696 497
PRO_CPU,24,apsc
an
14 32 14 500 949 497
PRO_CPU,24,now
ifi
14 14 14 500 500 499
APP_CPU,22,udp 14 321 14 500 509 498
APP_CPU,22,nou
dp
14 24 14 500 501 498
APP_CPU,22,apsc
an
14 24 13 500 502 498
APP_CPU,22,nowi
fi
14 19 14 500 501 499
APP_CPU,24,udp 14 30 13 500 509 497
APP_CPU,24,nou
dp
14 19 14 500 502 498
2020/1/17ESP32特集の内容紹介
低優先度かつPRO CPUだとタスク実行がかなり遅れる
PRO CPUだと割り込みインターバルもばらつ
く
低優先度だとAPP CPUでもタスク実行が遅延するときがある
高優先度でAPP CPUだと通信処理の影響を受けない

22. ESP32周期処理まとめ
•高い精度で周期処理を行うには：
• APP CPUでタイマ割り込みを使用
• APP CPU, 優先度24以上のタスクで処理を実行
•Arduinoの場合は？
• Tickerクラスは高分解能タイマを使っているので避ける
• タイマ割り込みを使う
• timerで始まる関数で使える (RepeatTimerサンプルを参照)
2020/1/17ESP32特集の内容紹介

23. おしまい
2020/1/17ESP32特集の内容紹介