嵌入式開(kāi)發(fā)：在微控制器基礎上使用Python進(jìn)行原型設計和開(kāi)發(fā)

Python很實(shí)用，但腳本語(yǔ)言通常是為PC應用程序的資源而設計的。然而，嵌入式應用程序通常需要處理更少的問(wèn)題。Adafruit的CircuitPython是專(zhuān)門(mén)為嵌入式開(kāi)發(fā)項目設計的Python變體。

Python是一種解釋性的、交互式的、面向對象的語(yǔ)言，它將卓越的編程性能與清晰結構化的語(yǔ)法相結合。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誤的風(fēng)險，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和更大的機器開(kāi)發(fā)的，具有足夠的RAM、巨大的海量存儲，以及帶有鍵盤(pán)、大型顯示器和鼠標的全面用戶(hù)界面。它不適用于嵌入式編程。但是，隨著(zhù)micropython的推出，Python 3編程語(yǔ)言在2014年實(shí)現了精簡(jiǎn)高效的實(shí)現，該語(yǔ)言專(zhuān)門(mén)針對微控制器的有限資源進(jìn)行了優(yōu)化。

認識到MicroPython作為一種嵌入式編程語(yǔ)言的能力，促使開(kāi)源社區針對特定的單片機和開(kāi)發(fā)類(lèi)型對其進(jìn)行了定制，以支持嚴肅的微控制器開(kāi)發(fā)。

MicroPython的起源

與C和C++一樣，Python最初是為了在大型計算機上運行而開(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行。Arduino開(kāi)發(fā)類(lèi)型是MicroPython的早期應用目標。

MicroPython的交互特性基于其命令界面。這被正式稱(chēng)為REPL(Read Eval Print Loop)窗口，通常通過(guò)將主機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70年代和80年代Basic的命令行接口非常相似。它接受用戶(hù)輸入(單個(gè)表達式或語(yǔ)句)，對其求值，然后通過(guò)REPL窗口向用戶(hù)返回結果，或執行嵌入語(yǔ)句中的命令。

REPL接口可用于查詢(xún)變量、切換I/O線(xiàn)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)言對初學(xué)者和有經(jīng)驗的程序員都很友好。與Arduino IDE的經(jīng)典周期(包括編輯、編譯、下載和運行)相比，REPL接口支持更短的開(kāi)發(fā)周期。即使是經(jīng)驗豐富的嵌入式開(kāi)發(fā)人員，也可以從使用MicroPython的REPL接口交互實(shí)驗新型外設中獲益。

CircuitPython對開(kāi)發(fā)類(lèi)型的支持

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

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(mǎn)足公司各種高性?xún)r(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轉換為CircuitPython的庫，CircuitPython已經(jīng)為CircuitPython提供了大量且數量不斷增長(cháng)的庫。

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)驗和調試。它有一個(gè)簡(jiǎn)化的語(yǔ)法，更類(lèi)似于人類(lèi)語(yǔ)言，消除了變量的聲明或鍵入以及復雜的標點(diǎn)符號。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)驗并加速語(yǔ)言學(xué)習和軟件開(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。