實時嵌入式系統(tǒng)變得非常復(fù)雜，不僅要深入了解復(fù)雜的 32 位微控制器，還要了解傳感器、算法、因特網(wǎng)協(xié)議以及各種不同的終端用戶應(yīng)用。隨著開發(fā)周期縮短和功能增多，開發(fā)團隊需要設(shè)法加速設(shè)計并將代碼移植到新產(chǎn)品中，因此，他們需要一個集成且靈活的開發(fā)平臺。
有幾個微控制器特定的平臺可幫助加快開發(fā)流程，但這種解決方案的問題在于，開發(fā)人員只能依賴單一的微控制器供應(yīng)商。將軟件從一個平臺移植到另一個平臺非常耗時，而且成本很高。
有一種獨特且新穎的解決方案獲得了廣泛的認可和接受：將低級微控制器硬件與高級編程語言（如 Python）相結(jié)合。MicroPython 就是這樣的解決方案。這種方案可在幾個不同的微控制器供應(yīng)商的零部件上運行，而且是開源的，使開發(fā)人員能夠隨時使用和自定義需求。
MicroPython.org 將其描述為精益高效的 Python 3 編程語言的執(zhí)行，其中包括 Python 標準庫的較小子集，該庫經(jīng)過優(yōu)化可在微控制器和受限環(huán)境中運行。MicroPython 項目采用眾籌形式，不僅可以成功獲得資金，而且吸引了大量關(guān)注，現(xiàn)已成功應(yīng)用于多個行業(yè)的項目，例如基于工業(yè)與空間的系統(tǒng)。
選擇正確的微控制器
MicroPython 可在幾個不同的微控制器上運行。如果微控制器具有足夠的 RAM、閃存和處理能力來運行解釋器，那么將 MicroPython 移植到更多微控制器就不會遇到太大的限制。也就是說，對于運行 MicroPython 的微控制器，開發(fā)人員應(yīng)關(guān)注幾個關(guān)鍵要求：
至少 256 KB 閃存
至少 16 KB RAM
至少 80 MHz 時鐘頻率
這些只是一般建議，開發(fā)人員可根據(jù)實際的應(yīng)用需求和定制 MicroPython 內(nèi)核的預(yù)期時間來進行調(diào)整。例如，可以修改 MicroPython，以使用遠低于 256 KB 的閃存。這些建議旨在為開發(fā)人員提供最佳體驗并為應(yīng)用代碼提供改進空間。
MicroPython 已被移植到幾個不同的微控制器系列，這是一個很好的起點，之后可以將其移植到新平臺或選擇已經(jīng)受支持的微控制器。圖 1 展示了 MicroPython 源代碼的主目錄。讀取器可以從這個目錄讀取到幾個不同的受支持的微控制器，如：
基于 ARM? 的微控制器
Texas Instruments 的 CC3200
Adafruit 的 ESP8266
Microchip Technology 的 nly=0&ColumnSort=0&page=1&quantity=0&ptm=0&fid=0&pageSize=25">16 位 PIC 微控制器
STMicrolectronics 的 STM32
圖 1： 示例文件夾目錄結(jié)構(gòu)展示了目前支持 MicroPython 的可用的微控制器平臺。這些微控制器包括 ARM、CC3200、esp8266、Microchip PIC 和 STM32。（圖片來源： Beningo Embedded Group）
根目錄列出的每個文件夾都是高級文件夾，包含一般驅(qū)動器和針對該芯片系列的支持。每個文件夾可能支持幾個不同的開發(fā)板或處理器。例如，stmhal 文件夾支持 STMicroelectronics 的 STM32F429 Discovery Board 和 STM32 IoT Discovery Node (STM32L) 以及 Adafruit Industries 的 STM32F405 pyboard 等開發(fā)板。ESP8266 文件夾支持 Adafruit 的 Huzzah 分線板（用于 ESP8266）以及 Feather Huzzah Stack Board。
可運行 MicroPython 的開發(fā)板價格低廉，開發(fā)人員可以購買多個開發(fā)板來摸索應(yīng)用程序需要多少內(nèi)存、存儲空間和處理能力。例如，開發(fā)人員剛開始可使用 STM32F405 pyboard，之后決定移到最終產(chǎn)品中的 STM32F429，以實現(xiàn)面向未來的功能和升級。STM32F429 具有 2 MB 閃存、24 KB RAM 和特殊的零瓦等待狀態(tài)的 RAM（稱為 CCM）。
開發(fā)人員編寫的 MicroPython 應(yīng)用代碼不一定要存儲在微控制器的內(nèi)部閃存中。MicroPython 內(nèi)核需要存在于微控制器，但應(yīng)用代碼可放在外部存儲介質(zhì)，例如 Panasonic 的 microSD 8 GB 卡。將應(yīng)用代碼存儲在外部存儲介質(zhì)，就能夠使用內(nèi)存更低的微控制器，節(jié)省了整體系統(tǒng)成本。
入門及使用 MicroPython
MicroPython 已預(yù)裝到 Adafruit STM32F405 pyboard 上。對于其他開發(fā)套件或定制硬件，開發(fā)人員都需要下載 MicroPython 源代碼，為目標板構(gòu)建源代碼，然后使用軟件刷新微控制器。MicroPython 全部存放在 GitHub 中，可以輕松訪問。開發(fā)人員需遵循幾個步驟來設(shè)置工具鏈并配置構(gòu)建 MicroPython 的環(huán)境。在這個例子中，我們將為 STM32F429 Discovery 開發(fā)板構(gòu)建 MicroPython。
首先，開發(fā)人員需要創(chuàng)建一個基于 Linux 的虛擬機或使用原生 Linux 安裝。可從終端獲得 Linux 之后，開發(fā)人員可使用以下命令來安裝 ARM 編譯器工具鏈：
sudo apt-get install gcc-arm-none-eabi
如果安裝的是新版本的 Linux，可能不帶版本控制系統(tǒng) Git。可使用以下命令從終端安裝 Git：
sudo apt-get install git
安裝 Git 之后，可以通過在終端中執(zhí)行以下命令來檢驗存儲庫的 MicroPython 源代碼：
git clone https://github.com/micropython/micropython.git
這個過程可能需要幾分鐘，但開發(fā)人員可以看到演示的序列（圖 2）。
圖 2： 將 MicroPython 存儲庫克隆到本地文件系統(tǒng)，以便開發(fā)人員為目標板構(gòu)建 MicroPython 或根據(jù)具體應(yīng)用定制內(nèi)核。 （圖片來源： Beningo Embedded Group）
將 MicroPython 源代碼克隆到本地文件系統(tǒng)之后，應(yīng)將其更改到該目錄，然后在終端執(zhí)行“cd stmhal”。stmhal 目錄包含 STM32 微控制器的 MicroPython 的編譯腳本。還有一個供開發(fā)人員查看的“boards”文件夾，顯示了目前支持的所有 STM32 開發(fā)板。開發(fā)人員可以從終端構(gòu)建任何位于“boards”文件夾的開發(fā)板。例如，開發(fā)人員可鍵入以下命令來構(gòu)建 STM32F4 Discovery 開發(fā)板：
make BOARD=STM32F4DISC
MicroPython 的構(gòu)建過程需要幾分鐘。在構(gòu)建過程中，開發(fā)人員可以安裝設(shè)備固件更新 (DFU) 工具，用于通過 USB 將 MicroPython 編程到微控制器中。該工具只需安裝一次，可通過在終端輸入以下命令來完成：
sudo apt-get install dfu-util
MicroPython 構(gòu)建完成并安裝 dfu-util 之后，開發(fā)人員即可將 MicroPython 加載到他們的微控制器上。開發(fā)人員需要先將微控制器設(shè)置到 DFU 引導(dǎo)程序模式。要完成這一步，可以設(shè)置引導(dǎo)引腳來復(fù)位加載內(nèi)部引導(dǎo)程序，而不是從閃存執(zhí)行代碼。
當微控制器處于引導(dǎo)程序模式并通過 USB 連接到主機時，可通過以下命令來使用 dfu-util 下載 MicroPython：
dfu-util -a 0 -d 0483:df11 -D build-STM32F4DISC/firmware.dfu
dfu-util 將使用編譯過程輸出的 dfu 文件。這個過程需要幾分鐘時間，因為微控制器將被完全擦除并重新編程。這個過程與圖 3 所示的過程非常相似。工具完成之后，應(yīng)將引導(dǎo)跳線設(shè)置為從內(nèi)部閃存加載，然后重啟微控制器的電源。現(xiàn)在，MicroPython 已經(jīng)在目標微控制器上運行。
圖 3： 使用 dfu-util 將 MicroPython 加載到微控制器。（圖片來源： Beningo Embedded Group）
連接傳感器和設(shè)備
使用 MicroPython 等高級編程語言來開發(fā)實時嵌入式軟件的最大優(yōu)點在于：軟件獨立于基礎(chǔ)硬件。這意味著開發(fā)人員可以編寫一個 MicroPython 腳本在 pyboard 上運行，而且可以稍作修改或原封不動地在 ESP8266 或 STM32F4 Discovery 開發(fā)板上運行該腳本。讓我們來看看基本的 MicroPython 腳本如何將一個 Bosch Sensortec BMP280 氣壓計和溫度傳感器連接到 I2C 總線，然后使用 Microchip Technology RN-42 藍牙模塊通過藍牙串行鏈路傳輸數(shù)據(jù)。
BMP280 是一款基于 I2C 的氣壓計和溫度傳感器，具有默認的十進制 119 的 I2C 從地址。將其連接到 pyboard 的最簡單的方法是使用 DFRobot 的 Gravity 板，它提供了一個強大的連接器，可輕松啟動設(shè)備和訪問 I2C。開發(fā)人員可選擇 I2C1 或 I2C2 總線來連接 Gravity 板。連接板之后，MicroPython 腳本就很簡單了。
首先，開發(fā)人員需要從 pyb 庫導(dǎo)入 I2C 類。通過 pyb 庫可訪問微控制器外設(shè)功能，如 SPI、I2C 和 UART。在使用任何外設(shè)之前，開發(fā)人員必須實例化外設(shè)類，以創(chuàng)建可用于控制外設(shè)的對象。外設(shè)類初始化之后，開發(fā)人員可以執(zhí)行任何其他初始化，例如在進入主應(yīng)用程序循環(huán)之前驗證設(shè)備是否存在。主應(yīng)用代碼將每秒對傳感器進行一次采樣。代碼列表 1 是這個過程的示例。
Copyfrom pyb import I2C
GlobalTemp = 0.0
GlobalBarometer = 0.0
# Initialize and Instantiate I2C peripheral 2
I2C2 = I2C(2,I2C.MASTER, baudrate=100000)
while True:
SensorSample()
pyb.delay(1000)
def SensorSample():
#Read the Temperature Data
TempSample = I2C2.readfrom_mem(119, 0xFA,3)
#Read the Pressure Data
PressureSample = I2C2.readfrom_mem(119, 0xF7,3)
代碼列表 1： MicroPython 腳本用于初始化 I2C 外設(shè)并與 DFRobot Gravity 板通信，以獲取溫度和氣壓計傳感器數(shù)據(jù)。（代碼來源： Beningo Embedded Group）
如果只對傳感器數(shù)據(jù)進行采樣卻不使用，開發(fā)團隊就無法體驗到 MicroPython 有力的幫助。許多開發(fā)團隊面臨一個技術(shù)挑戰(zhàn)：使用藍牙將傳感器設(shè)備連接到因特網(wǎng)或本地傳感器中樞。
為項目添加藍牙功能的一個簡單方法是使用 RN-42。RN-42 可以進入一個模式：微控制器只需發(fā)送應(yīng)通過藍牙傳輸?shù)?UART 數(shù)據(jù)，由 RN-42 處理整個藍牙堆棧（圖 4）。
圖 4： 通過 UART 將運行 MicroPython 的 pyboard 連接到 RN-42 藍牙模塊。（圖片來源： Beningo Embedded Group）
連接藍牙板之后，開發(fā)人員就可以創(chuàng)建一個非常簡單的腳本，將接收到的傳感器數(shù)據(jù)通過藍牙傳輸?shù)揭苿釉O(shè)備，之后可以保存數(shù)據(jù)或發(fā)送到云端進行進一步分析。代碼列表 2 是這個過程的示例。在這個例子中，UART1 配置為 115200 bps、8 位傳輸、無奇偶校驗和單個停止位。
Copyfrom pyb import uart
from pyb import I2C
GlobalTemp = 0.0
GlobalBarometer = 0.0
# Initialize and Instantiate I2C peripheral 2
I2C2 = I2C(2,I2C.MASTER, baudrate=100000)
# Configure Uart1 for communication
Uart1 = pyb.UART(1,115200)
Uart1.init(115200, bits=8, parity=None, stop=1)
while True:
SampleSensor()
pyb.delay(1000)
def SensorSample():
#Read the Temperature Data
TempSample = I2C2.readfrom_mem(119, 0xFA,3)
#Read the Pressure Data
PressureSample = I2C2.readfrom_mem(119, 0xF7,3)
#Convert Sample data to string
data = “#,temperature=”str(TempSample)+”,pressure”+str(PressureSample)+”,#,
”
#Write the data to Bluetooth
Uart1.write(data)
代碼列表 2： MicroPython 腳本初始化 UART1 并與外部設(shè)備通信的示例。（代碼來源： Beningo Embedded Group）
該應(yīng)用不僅可以將 Python 應(yīng)用代碼輕松地移植到其他硬件平臺上，還能使用已實現(xiàn)的常用庫和功能來幫助開發(fā)人員加速開發(fā)。上述應(yīng)用程序的創(chuàng)建可以在一個小時或更短的時間內(nèi)完成；如果開發(fā)人員從最低軟件層面開始逐步創(chuàng)建，可能就需要一周或更長時間。
開發(fā)實時軟件的技巧與竅門
使用 MicroPython 開發(fā)嵌入式應(yīng)用非常簡單，但從系統(tǒng)獲得實時性能可能就沒有想象中那么簡單了。MicroPython 提供了簡化和重用代碼這一巨大的優(yōu)勢，但如果開發(fā)人員不了解一些有趣的事實和資源庫，從系統(tǒng)獲取可預(yù)測和一致的時序可能就會是一項有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。
MicroPython 包含一個在后臺運行的垃圾回收器，用于管理堆棧和其他內(nèi)存資源。垃圾回收器是非確定性的，如果開發(fā)人員希望垃圾回收器在關(guān)鍵時間段開始執(zhí)行時能做出確定性的行為，可能就會遇到麻煩。以下幾個建議可幫助開發(fā)人員避免這種麻煩。
首先，開發(fā)人員可以導(dǎo)入垃圾回收庫 gc，并使用“啟用”和“禁用”方法來控制啟用或禁用垃圾回收器的時間。如代碼列表 3 所示，開發(fā)人員可以在關(guān)鍵時間段之前禁用垃圾回收，之后再啟用。
Copyimport gc
gc.disable()
#My time critical code
gc.enable()
代碼列表 3： 在時間關(guān)鍵代碼段之前禁用 MicroPython 垃圾回收器。（代碼來源： Beningo Embedded Group）
其次，開發(fā)人員也可以手動控制垃圾回收過程。開發(fā)人員創(chuàng)建并銷毀對象時，即在堆棧上分配內(nèi)存。垃圾回收器運行并釋放未使用的空間。由于它是不定期進行的，開發(fā)人員可使用收集方法定期運行垃圾回收，以確保堆棧空間不會被垃圾填滿。完成這個操作后，垃圾回收運行可以從每次 10 毫秒降低到 1 毫秒以內(nèi)。手動調(diào)用垃圾回收還可確保開發(fā)人員的應(yīng)用程序可以控制非確定性的定時代碼。這使他們可以決定何時運行垃圾回收，并確保他們的應(yīng)用程序具有實時性能。
對編寫實時代碼感興趣的開發(fā)人員可以關(guān)注其他幾個最佳實踐。其中包括：
使用預(yù)分配的用于通信通道的緩沖器
使用通信外設(shè)時采用 readinto 方法
使用 ### 避免傳統(tǒng)的 Python 文檔
在運行時最大限度地減少對象的創(chuàng)建和析構(gòu)
監(jiān)控應(yīng)用程序執(zhí)行時間
有興趣了解更多“最佳實踐”的開發(fā)人員可以在這里查看 MicroPython 優(yōu)化文檔。
總結(jié)
對于想要實現(xiàn)獨立于基礎(chǔ)微控制器硬件的實時嵌入式應(yīng)用程序的開發(fā)人員來說，MicroPython 是一個值得關(guān)注的平臺。開發(fā)人員可以使用 MicroPython 提供的標準庫來編寫高級 Python 腳本，并在任何受支持的微控制器上運行腳本。這為開發(fā)人員帶來了很多好處，包括：
提高了應(yīng)用重復(fù)使用率
縮短了產(chǎn)品上市時間
將應(yīng)用程序從硬件中獨立開來
MicroPython 并不適用于所有應(yīng)用，但迄今為止已在工業(yè)與空間系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域取得了成功，同時還實現(xiàn)了快速的原型開發(fā)和概念驗證。
