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用Python语言控制单片机

作者:时间:2018-08-03来源:网络收藏

  早年,虽然是一款比较容易上手的脚本语言,而且有强大的社区支持,一些非计算机专业领域的人都选它作为入门语言。遗憾的是,它不能实现一些非常底层的操控,所以在硬件领域并不起眼。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201808/390003.htm

  然而今时不同往日!

  硬件圈同样非常关注!

  说到用于硬件开发。很多人可能想到的是树莓派等支持linux系统的(树莓派和Arduino应用Python的的例子实在是多,比如,利用Raspberry Pi的硬件和Python语言来完成一个机器人制作。),然而现在Python已经完全可以脱离系统,直接进行单片机的开发了。

  用Python语言控制单片机

  MicroPython是在单片机上可以跑的Python,你可以通过Python脚本语言开发单片机程序。MicroPython基于ANSI C,语法跟Pyton 3基本一致,拥有自家的解析器、编译器、虚拟机和类库等。目前它支持基于32-bit的ARM处理器,比如STM32F405、STM32f407等,也就是说ARM处理器STM32F405上直接可运行Python语言,用Python语言来控制单片机。

  借助Micro Python,用户完全可以通过Python脚本语言实现硬件底层的访问和控制,比如说控制LED灯泡、LCD显示器、读取电压、控制电机、访问SD卡等。

  下面这篇美国EDN发布的文章,介绍了Python在实时嵌入式系统中扮演的角色:Python's role in developing real time embedded systems。

  Python具有良好的跨平台性,比如Linux和Windows,或是诸如Raspberry Pi等单板计算机。不过,随着Python的日益普及,人们可能会问,在实时嵌入式系统中是否也有Python的一席之地。答案是肯定的。下面是开发人员发现Python在实时嵌入式系统开发中有可能扮演的五个主要角色。

  作用# 1设备调试和控制

  在嵌入式软件开发过程中,开发人员常常需要分析总线通信量,如USB、SPI或I2C。有的分析仅仅是出于调试目的,但有时则需要控制总线分析仪并发送信息至嵌入式系统。许多总线分析仪和通信工具都有友好的用户接口,可以用来控制工具。他们通常还提供一种方法来开发脚本,也可以用来控制工具。Python是一种普遍支持的脚本语言,有时则是一些工具的接口,或是用来控制工具。

  作用# 2–自动化测试

  通过Python控制工具在嵌入式系统中发送和接收消息的能力,使得利用Python构建自动化测试(包括回归测试)成为可能。Python脚本可以设置嵌入式系统进入不同的状态,设置配置文件,并测试所有可能的干扰以及系统与外部环境的相互作用。使用Python开发自动化测试的好处是,回归测试可以开发持续测试并训练系统。任何的代码变动导致的bug或不合格的结果都将被实时的检测出来。

  作用# 3–数据分析

  通过Web简单地搜索Python库,你会发现,有许多免费强大的Python库都可以用来开发应用程序。Python可以用来接收非常重要的嵌入式系统数据,然后存储到数据库或是本地进行分析。开发者还可以使用Python开发实时可视化功能来展现临界参数,或是存储这些参数用于后续分析。使用Python进行数据分析的优点之一是当基础性工作完成之后,新功能的植入会显得比较简单。

  作用# 4–实时软件

  Python已经证实了自己的强大性和易使用性,甚至发现它是作为一门编程语言进入实时嵌入式系统。是的,嵌入式软件本身就是用Python写的而不是C/C++。用于实时软件最广泛的Python版本是MicroPython,大多是设计在ARM Cortex-M3/4微控制器上运行。MicroPython并不孤立。Synapse和OpenMV公司在嵌入式系统中既使用MicroPython也使用他们自己的Python port。对MicroPython感兴趣的读者可能对DesignNews(EDN的姐妹机构)的继续教育课程也感兴趣。

  作用# 5–学习面向对象编程

  Python是一门免费的编程语言,可以跨多个平台使用,对于学生和非编程人员而言比较简单。该语言与C语言不同,它也是现代式的,并且可以在自由形态的脚本类型中结构化,或是作为一个复杂的面向对象的体系结构。Python本身也很灵活。甚至还有这种情景:没有编程经验的电气工程师可以利用Python写出有用的测试脚本或用最少的时间实施电板检查。

  Python的学习曲线并不陡峭,熟悉Python学习曲线的开发人员发现,当你有了其它语言的基础之后,学习Python比学习任意其他的编程语言都要简单。出于这些原因,当开发人员看到Python扮演着编程孵化器角色,并吸收其它缺乏经验的工程师对宜早不宜迟的设计周期做出贡献时,不应该感到惊讶。

  什么?Python+FPGA!?

  夏宇闻老师几个月前在微信上推荐了一个帖子,说的是有人用Digilent的PYNQ-Z1板卡实现了超强的加速性能。

  早年,关于FPGA的开发都是基于硬件描述语言,从开始的VHDL到现在更为流行的Verilog,软件应用也从由最开始的汇编语言发展到现在的c/c++实现,这些都是目前为大多数FPGA开发者所熟悉的FPGA发展路程。上个月,IEEE收录了一篇关于使用Python开发FPGA应用的论文。

  在美国纳帕举行的第25届关于可编程计算机器领域IEEE国际讨论会上,一篇名为“评估通过Python快速开发异构处理器FPGA应用性能”的短篇论文获得了最佳短篇论文奖。这篇论文主要讨论了Python开发FPGA应用的优势和效率,论文中针对Digilent的PYNQ-Z1板卡(内部集成一个Xilinx Zynq SoC),通过支持Python编程和Jupyter Notebooks框架的PYNQ开发环境,应用Python对此板卡进行开发编程,并最终评估开发结果的优势和效率。值得一提的是,发表这篇论文的作者都是业界大佬,包括高级计算机科学家AndrewG.Schmidt、计算机科学家Gabriel Weise以及来自美国南加州大学工程技术科学协会的研究室主任Matthew French。在论文中,Matthew French教授主要就利用PYNQ开发环境,应用Python语言对Xilinx Zynq器件进行编程应用开发时对FPGA器件的影响、性能结果以及瓶颈影响进行了评估。此外,各位教授就基于Python的开发结果与已经存在的基于C语言的开发及手动开发结果进行了比较分析。

  在论文中,各位教授还对PYNQ开发环境的优缺点进行了阐述:

  首先来说,PYNQ应用开发框架是一个开源的开发环境,提供了标准的可以约束芯片I/O引脚的“Overlay”比特流,同时,开发人员可以在此开发环境中,利用Python对FPGA进行快速编程开发。此外,PYNQ开发环境内部集成标准的编程范式,支持HDMI和视频流的输出输出,同时具有两组12pin的PMOD连接器和一个兼容Arduino的连接器(可以连接或配置为Arduino系列板卡)。其中,默认的overlay中实例化了多个可以驱动多I/O接口的微Blaze处理器核,也可以配置一些支持图像滤波功能和试验SIMT(单指令,多线程)编程软逻辑GPU的overlay。同时,PYNQ也提供了支持比特流编程的API和可扩展的通用Python库和包,并且可以通过存储映射I/O(MMIO)直接寻址可编程逻辑单元,另外还支持DMA交易(不需要经过器件驱动和核模块之间的不断握手确认)。

  其次,就目前来说,PYNQ还不支持任何高级的综合,也无法将Python应用直接移植到FPGA中。这就意味着,开发者依然原型必须使用FPGA来创建一个设计,即当PYNQ提供一个支持板卡IO接口的Overlay框架以时,任何用户逻辑依然必须由开发者亲自创建并综合。不过,开发者仍然可以使用高级综合工具或上面提到的Python-to-HDL工程来完成这个任务,但是最终,开发者依然需要基于此设计并创建一个整合了Python代码比特流文件。

  也正是由于PYNQ存在这方面的缺陷,论文的作者并没有简单依赖现存的PYNQ API接口和overlay,他们开发出一个基于Redsharc项目的特定应用程序内核进行研究。

  结果如何呢?论文最后,作者对给出了Python开发Zynq应用的各项评估结果。结果中给出了通过c/c++实现这项研究的一般图像处理管道性能,以及定制的硬件加速器和Python实现的性能结果(下图所示),帮助我们更好地理解了Python + FPGA开发环境的性能和能。表中可以看出,结果十分明显,通过PYNQ实现较c实现速度提高了30倍之多,更甚者,从结果中可以看出,当Python实现时有更加有效的可用库时,比如OpenCV,其性能可以增长更多。



  Python软件实现和FPGA性能潜力的结合是一个非常有意义的工作,将会开创出一个类似于树莓派和Arduino的广大的开发者社区。Python+FPGA是一个广阔的未经勘察过的领域——一个全新的更加高效的开发空间——通过PYNQ开发环境将会吸引更多的系统开发者加入的领域。

  日前在赛灵思OPENHW2017创新大赛暨教师峰会上,北京理工大学嵩天副教授《Python编程语言和PYNQ在中国》的演讲,科普了Python编程风靡全球的原因。

  Python编程语言举例,只用了21行代码就完成了一个图像素描的处理,Python大大提升了开发效率。





  人工智能和机器学习走热,让 Python 从众多编程语言中脱颖而出。






  还等什么呢?

  人生苦短,我用Python

  附11大编程语言薪资排行榜

  编程语言有很多,但并非每一种的需求或工资都相同。人工智能和机器学习走热,让 Python 从众多编程语言中脱颖而出。下文将综合各种信源,以不同编程语言在美国市场的相关薪资水平、人气和前景,为你提供一些参考。

  薪资水平

  使用国外招聘网站 Indeed.com 将编程语言的薪资水平划分为 9 档:基于这个结果,Ruby/Ruby on Rails 看起来会让你挣得最多,而 Python,C++,iOS 和 Java 也是体面的选择。如果薪资是你的主要关注点,那么也许 C,PHP 和 SQL 不是最理想的选择……



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关键词: Python 单片机

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