嵌入式開(kāi)發(fā)：在微控制器基礎(chǔ)上使用Python進(jìn)行原型設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)

Python很實(shí)用，但腳本語(yǔ)言通常是為PC應(yīng)用程序的資源而設(shè)計(jì)的。然而，嵌入式應(yīng)用程序通常需要處理更少的問(wèn)題。Adafruit的CircuitPython是專門為嵌入式開(kāi)發(fā)項(xiàng)目設(shè)計(jì)的Python變體。

Python是一種解釋性的、交互式的、面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言，它將卓越的編程性能與清晰結(jié)構(gòu)化的語(yǔ)法相結(jié)合。它以其易讀性和可讀性以及更簡(jiǎn)單的語(yǔ)法而聞名。所有這些都有助于降低編程錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)，簡(jiǎn)化代碼重用，從而加速軟件開(kāi)發(fā)。

然而，該語(yǔ)言的一個(gè)缺點(diǎn)是，Python是為PC和更大的機(jī)器開(kāi)發(fā)的，具有足夠的RAM、巨大的海量存儲(chǔ)，以及帶有鍵盤、大型顯示器和鼠標(biāo)的全面用戶界面。它不適用于嵌入式編程。但是，隨著micropython的推出，Python 3編程語(yǔ)言在2014年實(shí)現(xiàn)了精簡(jiǎn)高效的實(shí)現(xiàn)，該語(yǔ)言專門針對(duì)微控制器的有限資源進(jìn)行了優(yōu)化。

認(rèn)識(shí)到MicroPython作為一種嵌入式編程語(yǔ)言的能力，促使開(kāi)源社區(qū)針對(duì)特定的單片機(jī)和開(kāi)發(fā)類型對(duì)其進(jìn)行了定制，以支持嚴(yán)肅的微控制器開(kāi)發(fā)。

MicroPython的起源

與C和C++一樣，Python最初是為了在大型計(jì)算機(jī)上運(yùn)行而開(kāi)發(fā)的。因此，在嵌入式開(kāi)發(fā)中，該語(yǔ)言需要太多的資源來(lái)編程微控制器。出于這個(gè)原因，澳大利亞程序員和物理學(xué)家達(dá)米恩·喬治開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為MicroPython的Python版本，該版本也可以在微控制器的有限資源下運(yùn)行。Arduino開(kāi)發(fā)類型是MicroPython的早期應(yīng)用目標(biāo)。

MicroPython的交互特性基于其命令界面。這被正式稱為REPL(Read Eval Print Loop)窗口，通常通過(guò)將主機(jī)PC連接到微控制器開(kāi)發(fā)卡的串行連接進(jìn)行操作。REPL接口與20世紀(jì)70年代和80年代Basic的命令行接口非常相似。它接受用戶輸入(單個(gè)表達(dá)式或語(yǔ)句)，對(duì)其求值，然后通過(guò)REPL窗口向用戶返回結(jié)果，或執(zhí)行嵌入語(yǔ)句中的命令。

REPL接口可用于查詢變量、切換I/O線或向連接的外圍塊發(fā)送字符串。一旦按下Enter鍵，該行立即被解釋和執(zhí)行。這就是解釋編程語(yǔ)言的本質(zhì)。

MicroPython的功能有助于探索性編程和故障排除，是MicroPython的一個(gè)方面，它使編程語(yǔ)言對(duì)初學(xué)者和有經(jīng)驗(yàn)的程序員都很友好。與Arduino IDE的經(jīng)典周期(包括編輯、編譯、下載和運(yùn)行)相比，REPL接口支持更短的開(kāi)發(fā)周期。即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的嵌入式開(kāi)發(fā)人員，也可以從使用MicroPython的REPL接口交互實(shí)驗(yàn)新型外設(shè)中獲益。

CircuitPython對(duì)開(kāi)發(fā)類型的支持

每個(gè)微控制器都有一組獨(dú)特的外圍設(shè)備，每個(gè)開(kāi)發(fā)類型進(jìn)一步補(bǔ)充了這一列表。這些外圍設(shè)備需要支持庫(kù)。這適用于Arduino IDE和MicroPython。此外，還有許多附加外設(shè)，如Adafruit的可尋址NeoPixel RGB LED Strip 1655，它們也需要庫(kù)支持。

為了獲得更好的支持，Adafruit開(kāi)發(fā)了自己版本的MicroPython和CircuitPython，以滿足公司各種高性價(jià)比微控制器開(kāi)發(fā)卡的特定要求。此外，該公司還將其龐大的Arduino集合中的許多外圍庫(kù)轉(zhuǎn)換為CircuitPython的庫(kù)，CircuitPython已經(jīng)為CircuitPython提供了大量且數(shù)量不斷增長(zhǎng)的庫(kù)。

通過(guò)使用Python為嵌入式開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)的好處

Python編程語(yǔ)言為程序員提供了許多優(yōu)點(diǎn)，如交互式編程、實(shí)驗(yàn)和調(diào)試。它有一個(gè)簡(jiǎn)化的語(yǔ)法，更類似于人類語(yǔ)言，消除了變量的聲明或鍵入以及復(fù)雜的標(biāo)點(diǎn)符號(hào)。MicroPython是Python 3的變體，允許用Python編程微控制器。

如圖所示，Adafruit從MicroPython派生出編程語(yǔ)言CircuitPython，用于直接硬件支持，以進(jìn)一步簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)并加速語(yǔ)言學(xué)習(xí)和軟件開(kāi)發(fā)。CircuitPython已經(jīng)支持基于Microchip的SAMD21微控制器的各種經(jīng)濟(jì)高效的微控制器開(kāi)發(fā)卡和基于Nordic Semiconductor的BLE功能nRF微控制器的其他嵌入式開(kāi)發(fā)方式。