換崗：MicroPython 在嵌入式開(kāi)發(fā)中的崛起

MicroPython 技術(shù)演進(jìn)

計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言是對(duì)技術(shù)發(fā)展的一項(xiàng)引人入勝的研究。從機(jī)器代碼和匯編語(yǔ)言到 CBOL 和 FORTRAN 等第一批高級(jí)語(yǔ)言，向更強(qiáng)大但更易于理解的語(yǔ)言邁進(jìn)使得開(kāi)發(fā)周期更快，并將編程帶給越來(lái)越廣泛的創(chuàng)作者，從專業(yè)到業(yè)余。

在 Arduino 和 Raspberry Pis 出現(xiàn)之前，許多原型制造商開(kāi)始使用 PBASIC 和微控制器，例如 BASIC Stamp。在專業(yè)的嵌入式領(lǐng)域，C 編程語(yǔ)言長(zhǎng)期以來(lái)一直占據(jù)著至高無(wú)上的地位。實(shí)際上，Arduino“編程語(yǔ)言”由一組 C/C++ 函數(shù)組成。這允許抽象出各種嵌入式設(shè)備編程的復(fù)雜性，從而對(duì)那些剛剛開(kāi)始嵌入式電子教育的人更加友好。因此，雖然 C 語(yǔ)言的主導(dǎo)地位仍然相當(dāng)穩(wěn)固，但變革之風(fēng)正在醞釀之中。輸入 Python 編程語(yǔ)言。

根據(jù) 2020 年 7 月的 IEEE 研究，Python 是 2020 年最流行的編程語(yǔ)言。它的創(chuàng)建者 Guido van Rossum 解釋說(shuō)，創(chuàng)建 Python 的原因如下：

“我在 CWI 的 ABC 小組實(shí)施解釋性語(yǔ)言方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)，并且通過(guò)與這個(gè)小組的合作，我學(xué)到了很多關(guān)于語(yǔ)言設(shè)計(jì)的知識(shí)。這是許多 Python 特性的起源，包括使用縮進(jìn)進(jìn)行語(yǔ)句分組和包含非常高級(jí)的數(shù)據(jù)類型。”

Guido 繼續(xù)解釋其他語(yǔ)言對(duì) Python 設(shè)計(jì)選擇的影響：

“Modula-3 是用于異常和其他一些 Python 特性的語(yǔ)法和語(yǔ)義的起源。”

還：

“我在 Amoeba 中處理錯(cuò)誤的經(jīng)歷讓我敏銳地意識(shí)到異常作為一種編程語(yǔ)言特性的重要性。”

Python 編程語(yǔ)言于 30 多年前首次發(fā)布。Python 代碼首先被編譯成字節(jié)碼，然后提供給解釋器，這是一個(gè)大型 C 程序（看，你就是無(wú)法避免 C）。Python 的一個(gè)流行方面是交互式解釋器模式或讀取-評(píng)估-打印-循環(huán) (REPL)，這是一種通過(guò)命令行交互式提示與 Python 交互以在將代碼提交到.py文件之前測(cè)試概念的方法。MicroPython 固件也可以在沒(méi)有編譯器的情況下構(gòu)建和運(yùn)行，因?yàn)樘摂M機(jī)可以運(yùn)行預(yù)編譯 ( .mpy) 程序。

快進(jìn)到 2014 年，MicroPython 發(fā)布了。對(duì)于具有桌面編程經(jīng)驗(yàn)的人，您可能會(huì)使用稱為 CPython 的特定 Python 實(shí)現(xiàn)，這是該語(yǔ)言的參考實(shí)現(xiàn)。MicroPython 只是另一種實(shí)現(xiàn)，它針對(duì)內(nèi)存和處理受限的硬件（例如微控制器）進(jìn)行了優(yōu)化。MicroPython 包含完整的 Python 3 編譯器、運(yùn)行時(shí)和 Python 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的子集。順便說(shuō)一句，MicroPython 已經(jīng)分叉到 CircuitPython 中，后者更專注于教育和創(chuàng)客社區(qū)。以下是 MicroPython 在嵌入式開(kāi)發(fā)中的多功能性和影響力的示例。

使用 MicroPython 對(duì)微控制器進(jìn)行編程的快速和骯臟

MicroPython 解釋器可用于許多具有各種硬件功能的開(kāi)發(fā)板上。獲取基于MicroPython的開(kāi)發(fā)板時(shí)，首先要做的是將解釋器固件更新到最新版本。這是通過(guò)訪問(wèn) MicroPython固件網(wǎng)站并為您的特定開(kāi)發(fā)板下載最新的設(shè)備固件更新 ( .dfu) 文件來(lái)完成的。每塊板都有不同的進(jìn)入更新模式的物理方法。它通常涉及在向電路板供電時(shí)將某個(gè)引腳短接至電壓或接地。將開(kāi)發(fā)板插入計(jì)算機(jī)并設(shè)置為更新模式后，啟動(dòng)一個(gè)名為dfu-util的實(shí)用程序，將新固件刷入開(kāi)發(fā)板。

確切的使用機(jī)制dfu-util將因您的主機(jī)系統(tǒng)操作系統(tǒng)（Windows、Mac OS、Linux）而異。如果使用基于 Windows 的主機(jī)，可能需要一些額外的步驟。

完成后，從開(kāi)發(fā)板上拔下 USB 電纜并重新插入。開(kāi)發(fā)板應(yīng)枚舉為可移動(dòng)介質(zhì)，例如 USB 閃存驅(qū)動(dòng)器或光盤(pán)。該驅(qū)動(dòng)器應(yīng)列為/flash，并且應(yīng)包含以下四個(gè)文件：

boot.py：包含特定開(kāi)發(fā)板的配置信息。

main.py：包含您的特定應(yīng)用程序的源代碼。

pybcdc.inf：這是一個(gè) Windows 驅(qū)動(dòng)程序文件，可以讓主機(jī)作為串行 USB 設(shè)備與開(kāi)發(fā)板接口。

readme.txt：開(kāi)發(fā)人員可以在其中向最終用戶或可能希望派生 main.py 文件以滿足自己需求的開(kāi)發(fā)人員留下任何注釋的文件。

可以通過(guò)主機(jī)上的串行終端使用 REPL 與開(kāi)發(fā)板進(jìn)行交互。或者，我們可以使用代碼編輯器來(lái)編輯主.py文件。MicroPython 和相關(guān)開(kāi)發(fā)板的一個(gè)巧妙特性是源代碼保留為用戶可訪問(wèn)的文件。只需將開(kāi)發(fā)板插入計(jì)算機(jī)，它就會(huì)枚舉為可移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備。然后可以在最終用戶選擇的代碼編輯器中直接查看和編輯源代碼文件。然后彈出開(kāi)發(fā)板，拔下電源并給開(kāi)發(fā)板加電，執(zhí)行新的或修改后的源代碼。

一些開(kāi)發(fā)工具能夠處理 MicroPython。一些更受歡迎的選擇包括：

Mu：一個(gè)免費(fèi)的、準(zhǔn)系統(tǒng)的編輯器，有很多花里胡哨的功能，包括代碼完成、REPL、文件管理器，以及通過(guò)簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)點(diǎn)擊來(lái)整理代碼的能力。這是一個(gè)很好的入門(mén)平臺(tái)，在簡(jiǎn)單性方面與 Arduino IDE 最為相似。

PyCharm：PyCharm 提供免費(fèi)社區(qū)版和付費(fèi)專業(yè)版，是 Python 開(kāi)發(fā)環(huán)境的主力。免費(fèi)版本包含僅供其他類似開(kāi)發(fā)工具的付費(fèi)版本使用的功能。調(diào)試器、重構(gòu)、代碼檢查、即時(shí)錯(cuò)誤突出顯示和快速修復(fù)等功能都是免費(fèi)提供的。

Visual Studio Code：萬(wàn)能的代碼編輯器，已經(jīng)成為許多開(kāi)發(fā)人員的默認(rèn)編輯器。Microsoft 提供的這一免費(fèi)產(chǎn)品易于擴(kuò)展，并且可以與 GitHub 等其他第三方工具集成。這可以使 Visual Studio Code 成為 MicroPython 項(xiàng)目的一體化開(kāi)發(fā)環(huán)境。

編寫(xiě) CPython 和 MicroPython 代碼之間的實(shí)際差異

MicroPython 已經(jīng)移植到許多基于 Arm ? Cortex ? -M4的嵌入式平臺(tái)（包括STM32、TI CC3200 /WiPy、Teensy boards、Nordic nRF 系列、SAMD21和 SAMD51），此外，它還被移植到其他架構(gòu)，如 ESP8266 、ESP32、16 位 PIC、RISC-V（RV32 和 RV64），甚至 Lego Mindstorms EV3。MicroPython 必須應(yīng)對(duì)大量不同的體系結(jié)構(gòu)和嵌入式系統(tǒng)規(guī)范，而 CPython 的環(huán)境相對(duì)更加單一（主要是 x86/x64 和 ARM 體系結(jié)構(gòu)）。因此，CPython 和 MicroPython 之間存在一些并非微不足道的差異。一些主要區(qū)別包括：

如何添加自定義庫(kù)：與 CPython 不同，MicroPython 不理解當(dāng)前目錄的概念。因此，雖然它也用于sys.path查找模塊，但它是相對(duì)于0:/（指的是開(kāi)發(fā)板的內(nèi)部閃存）或相對(duì)于1:/（指的是 SD 卡，如果開(kāi)發(fā)板配備的話）。創(chuàng)建模塊有兩種方法。

第一種選擇是在閃存或 SD 卡的根目錄下創(chuàng)建一個(gè)文件，例如mymodule.py. 然后在 中main.py，只需添加一行 with import mymodule，位于其中的所有功能都module.py將對(duì) 可用main.py。

第二個(gè)選項(xiàng)是在根目錄中創(chuàng)建一個(gè)目錄，例如，mymodule. 在mymodule文件夾，創(chuàng)建一個(gè)名為的文件__init__.py并在文件中添加任何需要的自定義函數(shù)。然后從內(nèi)部main.py添加行import mymodule。

在任何一種情況下，要訪問(wèn)存儲(chǔ)在 SD 卡上的任何模塊，該行sys.path.append('1:/')也必須添加到main.py.

內(nèi)存管理：CPython 使用自動(dòng)引用計(jì)數(shù)作為內(nèi)存管理的手段，而 MicroPython 使用垃圾收集。

有限的和特定于微的模塊：Python 的主要便利之一是能夠輕松導(dǎo)入提供許多有用功能的代碼——例如解析 JSON、字符串處理或 Web 套接字編程。但是，MicroPython 無(wú)法訪問(wèn)完整的 CPython 模塊。此外，許多標(biāo)準(zhǔn) CPython 模塊的 MicroPython 實(shí)現(xiàn)考慮了嵌入式硬件的內(nèi)存和處理速度限制。一些模塊使用標(biāo)準(zhǔn)的 Python 名稱。其他人以“u”開(kāi)頭；例如， import array(CPython) 和import uarray(MicroPython)。

此外，一些模塊是特定于嵌入式硬件的。更通用的導(dǎo)入機(jī)器模塊允許代碼最大限度地提高各種 MicroPython 友好開(kāi)發(fā)板的可移植性。還有特定于電路板的模塊，例如導(dǎo)入pyb（針對(duì) pyBoard）或?qū)雃sp（針對(duì)基于 ESP8266 的電路板）。電路板特定模塊利用任何獨(dú)特的硬件組件或最大限度地提高效率。例如，pyb.delay(ms)或者pyb.disable_irq()是分別請(qǐng)求延遲或禁用中斷的機(jī)制，專門(mén)為 pyBoard 量身定制。此處

提供了可用于 MicroPython 的模塊的完整列表。

語(yǔ)法差異：

MicroPython 要求文字?jǐn)?shù)字和關(guān)鍵字之間有空格，相比之下，CPython 沒(méi)有此要求。

MicroPython 允許使用:=賦值給理解變量，CPython 引發(fā) SyntaxError。

語(yǔ)言和內(nèi)置類型差異：

MicroPython 中未實(shí)現(xiàn)異常鏈接。

內(nèi)置類型的處理方式不同；例如，MicroPython 不支持刪除數(shù)組。

不支持函數(shù)的用戶定義屬性。

覆蓋sys.stdin, sys.stdout, 和sys.stderr是不可能的。

CPython 和 MicroPython 之間的全部差異太多，無(wú)法在此一一列舉。在大多數(shù)情況下，除了最挑剔的 Python 編碼人員之外，其他人的差異應(yīng)該很小。如果您在嘗試實(shí)現(xiàn)您知道可與 CPython 一起使用的功能時(shí)遇到錯(cuò)誤，請(qǐng)查看此站點(diǎn)以獲取CPython 和 MicroPython 之間的強(qiáng)大差異列表。

開(kāi)發(fā)商，集結(jié)！

如果優(yōu)先考慮速度，則可以在 MicroPython 中編寫(xiě)內(nèi)聯(lián)匯編代碼。內(nèi)聯(lián)匯編程序支持 ARM Thumb-2 指令集的一個(gè)子集。內(nèi)聯(lián)匯編隨后被轉(zhuǎn)換為 Python 函數(shù)調(diào)用。根據(jù)體系結(jié)構(gòu)參考手冊(cè)，“... [匯編] 指令對(duì) 32 位帶符號(hào)整數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，除非另有說(shuō)明。大多數(shù)支持的指令僅在寄存器 R0-R7 上運(yùn)行：在支持 R8-R15 的地方，有說(shuō)明。從函數(shù)返回之前，寄存器 R8-R12 必須恢復(fù)到它們的初始值。寄存器 R13-R15 分別構(gòu)成鏈接寄存器、堆棧指針和程序計(jì)數(shù)器。”

結(jié)論

MicroPython 是進(jìn)入嵌入式開(kāi)發(fā)世界的令人興奮的新入口。它為專業(yè)人士和制造商提供了誘人的新可能性。盡管它可能不適合某些具有極其嚴(yán)格的時(shí)序和性能要求的邊緣用例，但它可以成為傳統(tǒng) C 編程語(yǔ)言的有力伙伴。再加上 Python 語(yǔ)言的興起，MicroPython 可以作為希望開(kāi)始嵌入式硬件開(kāi)發(fā)的桌面應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員的橋梁。

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