嵌入式Python簡介

如果您正在對(duì)嵌入式設(shè)備進(jìn)行編程，那么您很可能正在使用 C/C++ 編程語言編寫代碼。C 最初創(chuàng)建于 20 世紀(jì) 70 年代初；然而，直到 1990 年代，嵌入式設(shè)備編程才從匯編語言轉(zhuǎn)向高級(jí) C 語言。在接下來的三十年里，C/C++ 憑借其在速度和緊湊性方面的卓越性能，將在嵌入式應(yīng)用程序中占據(jù)主導(dǎo)地位。如今，隨著流行的 Python 編程語言以嵌入式為中心的實(shí)現(xiàn)的興起，另一種轉(zhuǎn)變正在出現(xiàn)。

Python 于 1990 年代首次出現(xiàn)，并從那時(shí)起在軟件開發(fā)人員中穩(wěn)步流行。事實(shí)上，在 2020 年，Python 終于在 IEEE Spectrum 的年度編程語言流行度調(diào)查中名列第一。最初，Python 作為一種用于測(cè)試電子設(shè)備的腳本語言在嵌入式開發(fā)人員中流行起來。慢慢地，它一直在開發(fā)堆棧中向下移動(dòng)。實(shí)際上有多種 Python 實(shí)現(xiàn)，其中 CPython 是廣泛用于桌面應(yīng)用程序的參考實(shí)現(xiàn)。

PyMite 和 Tiny Python是最早為在微控制器上運(yùn)行而開發(fā)功能降低的 Python 實(shí)現(xiàn)的嘗試之一。PyMite 只包括一個(gè) VM 和運(yùn)行時(shí)——沒有編譯器。這意味著它只能運(yùn)行先由 CPython 編譯的字節(jié)碼。Tiny Python 確實(shí)包含一個(gè)字節(jié)碼編譯器，但仍然只占用大約 64 KB 的 RAM。兩者都基于 Python 2，并且都沒有被積極開發(fā)。盡管如此，它們確實(shí)代表了將 Python 用于嵌入式應(yīng)用程序的最早嘗試。

MicroPython是用于嵌入式開發(fā)的 C 編程語言的令人興奮的替代方案。它將基于桌面的 CPython 語言的幾個(gè)流行特性帶到各種流行的微控制器架構(gòu)中，包括STM32 板、TI CC3200/WiPy、Teensy 板、Nordic nRF系列、SAMD21、SAMD51、ESP8266、ESP32、RISC-V，甚至是 Lego頭腦風(fēng)暴 EV3 平臺(tái)。自 2014 年推出以來，MicroPython 的受歡迎程度穩(wěn)步上升，反映出 CPython 的總體使用量增加。另一個(gè)吸引人的特性是 MicroPython 的源代碼是在 GitHub 上的開源許可（MIT 許可）下提供的。

CircuitPython是一個(gè)教育和制造商友好的 Python 實(shí)現(xiàn)，它本身是 MicroPython 的一個(gè)分支。CIrcuitPython 開發(fā)支持由Adafruit Industries提供，是其許多微控制器產(chǎn)品的實(shí)際語言。目前有超過一百種電路板與 CircuitPython 兼容，大部分基于 Microchip 的 SAMD21/SAMD51 和 Nordic Semiconductor 的nRF52840微控制器。CircuitPython 的一個(gè)關(guān)鍵特性是能夠簡單地將源代碼文件 (.py) 拖到兼容的開發(fā)板上，這與將文件拖到 USB 閃存驅(qū)動(dòng)器上沒有什么不同。不需要編譯代碼，也不需要訪問麻煩的（有時(shí)是昂貴的）程序員/調(diào)試器。此外，源代碼仍然可以在設(shè)備上訪問，并且可以在任何計(jì)算機(jī)上打開。這意味著您可以使用簡單的文本編輯器從任何計(jì)算機(jī)下載、編輯和重新編程兼容 CircuitPython 的開發(fā)板。

澤林思是一組包含在軟件開發(fā)工具包 (SDK) 中的工具，適用于物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 產(chǎn)品的開發(fā)人員。他們專注于簡化 32 位微控制器（包括 ESP32、ESP8266、ARM Cortex M0+、ARM Cortex M3 和 ARM Cortex M4）與各種物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)提供商（AWS、Azure、Google Cloud Platform、Ubidots、The Things Network）之間的連接). 只需幾行 Python 代碼，就可以將邊緣設(shè)備傳感器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫诉M(jìn)行進(jìn)一步分析和長期存儲(chǔ)。在提供的工具中，命令行界面 (CLI)、Zerynth Studio 集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)、Zerynth 操作系統(tǒng) (OS) 和 Zerynth 設(shè)備管理器；全部適用于 Windows、Mac OS 和 Linux。Zerynth VM 占用了 80KB 的閃存和 5KB 的 RAM。

CPython。單板計(jì)算機(jī) (SBC) 是信用卡大小的成熟臺(tái)式計(jì)算機(jī)（例如，Raspberry Pi、BeagleBone）。它們也非常便宜，因此越來越多地用于嵌入式應(yīng)用程序。當(dāng)前一代的 SBC 速度足夠快，并且有足夠的內(nèi)存和存儲(chǔ)空間來運(yùn)行成熟的 CPython 實(shí)現(xiàn)（或通過省略不需要的模塊而略微精簡的實(shí)現(xiàn)）。還有其他實(shí)現(xiàn)，例如 Python for ARM Linux，它為基于 ARM 的架構(gòu)定制了 Python（與 x86/x64 架構(gòu)相比）。最近，PyPy 等其他實(shí)現(xiàn)（基于即時(shí)編譯器與 CPython 解釋器的對(duì)比）已移植到 Raspberry Pi 并提供改進(jìn)，例如更快的速度性能。

開發(fā)人員需要記住，Python 編程語言沒有單一的“風(fēng)格”。有許多實(shí)現(xiàn)，其中一些是專門為在嵌入式平臺(tái)上出色執(zhí)行而構(gòu)建的。Python 作為專業(yè)嵌入式開發(fā)領(lǐng)域的主要參與者的未來取決于證明它可以達(dá)到或超過 C 的性能。我們可以回顧歷史來提供一些見解。畢竟，從匯編語言到 C 語言的轉(zhuǎn)變不是一蹴而就的。通過在 C 宏中插入?yún)R編代碼，匯編仍然用于 C 程序的性能關(guān)鍵部分。Python 和 C 可以類似地協(xié)同工作。

另一個(gè)考慮是微控制器比十年或二十年前的微控制器強(qiáng)大光年。時(shí)鐘周期已經(jīng)從以幾兆赫茲測(cè)量到超過千兆赫茲。曾經(jīng)以幾十千字節(jié)為單位的閃存，現(xiàn)在以幾兆字節(jié)為單位。幸運(yùn)的是，性能的顯著提升并沒有伴隨著價(jià)格的相應(yīng)上漲。因此，嵌入式應(yīng)用程序開發(fā)人員可以編寫更高級(jí)別的代碼，而不必理會(huì)每個(gè)時(shí)鐘周期或內(nèi)存字節(jié)，并且仍然可以生產(chǎn)出響應(yīng)迅速的高質(zhì)量產(chǎn)品。

結(jié)論

編程語言與口頭語言一樣，不斷發(fā)展壯大以響應(yīng)時(shí)代的需求。專門為嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建的 CPython 衍生產(chǎn)品，如 MicroPython 和 CircuitPython，有望成為未來嵌入式開發(fā)的主要參與者，因?yàn)樗鼈兪箘?chuàng)建過程民主化。當(dāng)結(jié)合電子硬件的一些基本知識(shí)時(shí)，嵌入式 Python 語言使人們，無論技能水平如何，都能將物理和數(shù)字融合在一起。這種能力開啟了幾年前難以想象的可能性。在世界各地，可訪問的開源編程語言和嵌入式平臺(tái)讓當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)能夠構(gòu)建本地化、特定于他們的需求、具有成本效益且可持續(xù)的工具。難民營，嵌入式 Python 正在幫助讓世界變得更美好，一次一行代碼。

審核編輯黃昊宇