将Swift语言应用到MCU开发中(上)

NXP管管

背景介绍

“你的下一个项目准备选用什么语言？”如果谁这样去问一个嵌入式工程师，可能会显得有点多余。不是只有C语言可以用来搞嵌入式开发吗？
差不多十多年前，情况的确是这样。那时候还没有一个像ARM Cortex-M这样能占据半壁江山的统一核心，嵌入式处理器碎片化极为严重。绝大多数MCU本身性能不高，各种资源都比较有限，业务模型通常也比较简单，连RTOS都用不上，直接裸奔即可解决大部分业务逻辑，嵌入式工程师绝大多数时间都在跟原厂的底层驱动作斗争。也只有C这样接近底层，各种编译链极其完善的语言才能得到所有人的认可。


随着ARM Cortex-M核的MCU逐渐占据市场主导地位， MCU的性能逐渐追上了90年代中后期的通用CPU，使用原厂提供的API来进行开发，逐渐取代了寄存器开发方式，而底层硬件的操作变得大同小异。


最近几年，随着物联网、IOT、AI这些概念越来越火热，MCU的业务模型也开始变得越来越复杂，各种通信协议栈被塞了进去，各种复杂算法被塞了进去，越来越多非EE出身的程序员、DIY爱好者也开始进入嵌入式开发领域。

市场需求

有需求就有市场，Arduino就是在这样的背景下诞生的。


一些新的开发者对MCU底层硬件细节并不关心，只想快速实现自己的想法和创意，Arduino通过C++对底层硬件进行层层包装，给最终用户提供了一套极为简洁的API。简洁到什么程度？只要稍微学习，中小学生都可以做出像模像样的作品。


尽管Arduino这种将硬件API化的开发方式让资深嵌入式工程师颇为“瞧不上”，它却实实在在地掀起了一阵变革的风向。无论业界巨头还是创新者，都开始幻想着能有一套较为统一的嵌入式开发方法。


Arm基于C++做了一套mbed框架，采用类似Arduino的简洁API，为多种Arm平台做了适配移植。


这都是一些较为传统的尝试，还有一些更为激进的极客开发者，觉得既然硬件操作都已经抽象为标准API了，我为什么还要受限于偏底层的C和让人无比困惑的C++？为什么不可以用我熟悉的语言去操作MCU？事实证明，这些想法并不是天方夜谭，以下仅列出部分现代语言的MCU操作框架：

Python: MicroPython

JavaScript: Espruino

Golang: TinyGo

Swift语言介绍

既然已经有各种新的尝试了，为什么又要多一个Swift？而且听到Swift，大家第一反应可能是“那不是Mac和iOS的专用语言吗？”


其实不然，Swift的创始人Chris Lattner对Swift愿景便是“统治世界”


它从最开始的设计就是要成为一门系统级编程语言，源代码全部开放，由社区主导开发进化。


以下仅列出一些Swift的特性：


Swift公布于2014年，极为年轻，无历史包袱，广泛吸收了近年各种编程语言的优势


纯编译型静态语言，无GC机制，这是实时系统的必要条件


支持系统级开发，直接生成对应机器码，使用ARC机制来实现内存管理，通过一个较小的开销来降低开发者的心智负担


代码范式多样，支持面向对象，面向协议，函数式编程


学习曲线平滑，可作为初学者的第一门编程语言


语法优雅，适合各种挑剔的程序员


背景雄厚，发展前景无限


综合以上特性，可以说Swift是为数不多的极其适合MCU设备的现代化语言。


另外还有一个Rust，但Rust的学习曲线极为陡峭，喜欢严厉地“虐待”开发者来保证代码的正确性，这又有悖于我们简化MCU应用层编程的初衷。


其余绝大多数现代化语言中，要么带有嵌入式中绝对不能接受的GC机制，要么为解释性语言，效率极低（即便如此，MicroPython的应用场景还是越来越丰富，说明大家对易用性的需求越来越强烈）。


相信随着时间的推移，Swift在嵌入式上的可用性会逐渐完善。

下期预告

恩智浦的i.MX RT系列，已经把Cortex-M为核心的MCU的性能提高到了很高的水平，可以允许在她上面开发更高级的编程语言。

本文下期将介绍在i.MX RT1050上实现的对Swift语言支持的软硬件框架，并将预告公测的计划。




作者：刘鹏                  文章出处：恩智浦MCU加油站

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