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还在用C语言玩MCU吗，要不要换个姿势？| 正经玩
现在MCU上的资源越来越丰富，程序存储容量和内存SRAM的容量也越来越大，尤其是运算速度已经达到了上百MHz甚至1GHz的水平，恩智浦的i.MX RT系列、LPC5500系列和LPC54000系列就是典型的代表。再结合MCU的高实时特性，非常适合应用在IoT相关的领域，承担越来越多的边缘计算任务和更加友好的人机交互任务。
IoT应用的典型特点是应用场景的碎片化，各种各样的传感器、通信模块、执行机构以及处理逻辑的交叉组合，尤其在产品的概念构思和验证阶段，经常会要求频繁地调换不同类型的组件或模块。例如需要尝试不同的温度传感器，需要尝试不同的WiFi模块，需要在不同的蓝牙、ZigBee、Thread模块之间进行比较等。
IoT应用开发重心的变化
IoT的应用仍然是以电子产品为主，但已经从传统的单机封闭模式，转变为多机、远程并且开放的模式。
通常一个产品的市场投放过程大体是这样的：
由于IoT产品多机开放的特点，使得概念设计阶段变得格外重要，该阶段的设计周期也随着循环迭代的次数增加而拉长了许多：
如何使用一个资源丰富的MCU，快速地搭建适合的应用平台，以最优的方式解决现实中的问题，是每个研发团队都会面临的挑战。
当前MCU技术的发展，使得单机硬件设备驱动层的开发变得越来越容易，一方面芯片原厂提供了丰富的驱动库，大大简化了驱动层；另一方面各设计厂商都有成熟的技术储备，基本涵盖了大部分的硬件资源。
因此硬件接口与适配的工作比重逐步减少，而下述各项设计的工作量则大幅增加：
各个硬件模块之间的信息交换与互动
如何衔接新兴的边缘应用算法、与云端或其它网络节点的互联
以及简单的数据库操作、图形用户界面的管理等
需要更高效的开发环境
从以上分析可以看出，软件逻辑的设计和开发比重越来越大，传统MCU开发环境的低效率，已经逐渐成为拖慢项目进度的瓶颈。我们需要一种更加综合的开发手段，兼顾高层软件的开发效率和底层硬件驱动的执行效率。
软件的开发离不开编程语言，传统的汇编语言和C语言非常适合硬件驱动的开发，但对于系统层和应用层的软件开发则优势尽失，因此我们把目光投向了对于算法开发更加高效的其它编程语言，包括Python语言。
Python是一种解释执行的脚本语言，不需要经过编译链接等过程，在交互模式下每写下一行代码，就会立即得到执行结果。
目前在三大主要的桌面平台上，都有相应的Python执行环境。
大约3年前，我们从社交媒体上了解到Micropython项目，这是英国的Damien P. George教授发起的一个开源项目，目标是在微控制器和嵌入式系统上，实现与Python 3.x兼容的运行环境。
我们首先在资源相对丰富的i.MX RT系列上，对Micropython进行了一段时间的评估和深入研究，并在此环境下对MCU环境下的人工智能应用进行了深入的探讨，本公众号曾经发表过很多相关的文章，有兴趣的读者可以移步阅读。
Micropython把很多常用的硬件模块都用C封装为Python的类，便于使用脚本调用。通过一段时间的评估，我们发现Micropython的环境很好地平衡了，MCU底层硬件资源的高运行效率，和上层应用模块与应用项目的高开发效率之间的关系。
当然，在代码的执行效率上，现在的Python还与C语言有一定的差距，但在IoT的环境下，在高性能MCU的加持下，至少作为产品的系统设计和概念验证的开发手段，还是能够胜任大部分的应用场景的。况且在Micropython平台下，还可以嵌入C语言模块以提高核心计算的运行效率。
在i.MX RT上的工作成果，大大鼓舞了我们扩大对Micropython的尝试，最近笔者就把这个开发环境成功地搬到了LPC55S69上面，并依据LPC5500的片上资源配置，有针对性地开发了一些Python类。下面展示几个演示实例。
Micropython在 LPC55S69上的演示实例
下图就是我的开发板全貌，上面那个小板是LPC-Link2调试器，下面则是来自逐飞科技的LPC5500 IoT开发套件的主板：
LPC5500主板通过USB与PC相连，PC可以分别以U盘方式访问板上的SD卡和外扩的一个SPI Flash模块，同时通过USB-CDC协议，用户使用PC上的串口窗口作为Micropython的交互控制台，可以输入语句命令等，并显示返回的结果。
下面这个动图就是一个典型的Micropython控制台交互界面：
演示一：实时时钟 第一个演示是在上面这个开发环境下，做的一个时钟显示的例程：
在这个例程中，首先用到了片上的RTC(由Micropython的RTC类控制)，还用到了按照Micropython风格，使用C语言添加的一个处理OLED显示的Python类。而屏幕上显示的“年月日”汉字，则是使用Micropython自带的文件系统模块，从板上扩展的SPI Flash中读出汉字字库，再使用Python脚本提取出来的。
演示二：传感器读取和显示 第二个演示是读取一个SHT31温湿度传感器和一个MS5611气压计，并分别显示在不同的OLED显示屏上：
在这个例程中除了Micropython控制的片上I2C模块外，同样用到了前述的OLED类和取汉字字模的部分。而且可以看到，同时有两个OLED显示屏在一起工作。
下图从另一个侧面，可以更清晰地看得模块与主板的关系：
演示三：多屏动图显示 这个小视频，展示了通过显示屏分别独立显示，屏显的字模通过脚本的实时计算确定移动中的位置。
这个演示展示了使用Micropython，可以方便地实现比较复杂的软件算法，同时也通过快速刷屏展示了不错的处理速度。另外，由于LPC55xx有多达8个相同的FlexComm端口，我们可以很方便地使用一套代码，分别刷新多个显示屏。
演示四：俄罗斯方块游戏 这个游戏是网上找到的一个开源代码，经过简单的适配，即可在LPC5500上运行。
通过这个演示，进一步展示这个平台的灵活性和广泛的适用性。
结束语
使用Micropython平台，既可以发挥C语言高效处理硬件模块的能力，又可以发挥Python语言对于复杂算法的表达能力，有机地把两者的优势结合到了一起，极大地方便了IoT应用产品的系统设计和概念验证。
更加可喜的是，MCU的开发人员终于可以像其它平台(例如Linux)的开发人员那样，能够受益于众多的开源软件。上面那个俄罗斯方块游戏就是一个很好的例证。
完成系统设计之后，在进入产品设计阶段的时候，开发人员可以使用传统的开发方法，采用C语言更高效地实现经Python验证过的算法逻辑，让最终产品得到最佳的用户体验。当然，如果您已经满意了Python所产生的结果，也不妨直接把这个原型设计转化为最终产品，加快产品的上市进程。
对于广大的DIY爱好者，或比较小众产品的设计者，或非电子类的从业人员，同样能够从这样一个开发平台中受益，至少可以从复杂的C语言开发中解脱出来。
目前本人正在整理相关代码和文档，很快就会开放恩智浦中文社区，并期望不久能把这套系统开源出来，为大家多提供一个选项。
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发表于 2021-10-13 10:38:53
沉默卡
照妖镜
发表于 2021-10-13 10:55:13
发表于 2021-10-13 11:16:40
发表于 2021-10-13 12:29:31
楼主
