MicroPython #

S narastajúcim výkonom mikrokontrolérov sa v súčasnom období posúvajú možnosti ich využitia aj do oblastí, ktoré boli pred pár rokmi vyhradené výkonným počítačom alebo výpočtovým strediskám. Z relatívne jednoduchých čipov, často pozostávajúcich len z MCU a nevyhnutných periférií, primárne určených pre obsluhu a jednoduché spracovanie dát zo senzorov sa vyvinuli komplexné zariadenia obsahujúce priamo na čipe univerzálne komponenty potrebné pre tvorbu kompaktného a cenovo veľmi prijateľného systému riadenia, zberu, spracovania a transportu dát zo senzorov. S vývojom technických prostriedkov narastá aj komplexnosť programového vybavenie, na ktoré sú kladené vysoké požiadavky na jeho kvalitu a stabilitu, zariadenia často musia pracovať v ťažkých a komplikovaných podmienkach, bez možnosti údržby počas celej doby ich životnosti.

Vývoj typickej aplikácie pozostáva z dvoch častí

Vývoj spojený s obsluhou technických prostriedkov - vstupných zariadení a senzorov, zobrazovacích a signalizačných prvkov a výstupných zariadení. Tento môže mať niekoľko úrovní - od jednoduchého pripojenia štandardného prvku ku normalizovanému rozhraniu (I2C, SPI, … ) a tvorbe príslušnoho API pre jeho obsluhu až po vývoj vlastného špecializovaného senzora alebo výstupného zariadenia s firmware, komunikačným rozhraním, implementáciou a spracovaním dát a unikátnym API.
Vývoj spojený s vlastnou aplikáciou - od jednoduchej komunikačnej aplikácie až po rozsiahly systém komunikujúci cez Internet. Pretože individuálny vývoj od základu je náročný a zdĺhavý, pre implementácie IoT aplikácií bolo v poslednom období vytvorených množstvo operačných systémov, typickým predstaviteľom je projekt Zephyr, ktorý je portovaný na viacej ako 800 platforiem, pričom pre každú platformu má implementovanú obsluhu základných periférií. Súčasťou je mikrokernel alebo nanokoernel v závislosti od výkonu zariadení, podporuje multithreading a non-preemptive a preemptive plánovač (scheduling), programovacím jazykom je C a C++.

Vývoj programového vybavenia je zvyčajne realizovaný v programovacích jazykoch umožňujúcich jednoduchý prístup k perifériím mikrokontroléra, ako je C, C++, Assembler. Použitie týchto jazukov garantuje vysokú efektivitu programového vybavenia, na druhej strane vyžaduje špeciálne prostriedky podporované samotným mikrokontrolérom pre ladenie kódu a hladanie chýb.

Je zrejmé, že vývoj aplikácie vyžaduje tvorbu a používanie vývojových nástrojov, ktorých príprava a odladenie môže v závislosti od rozsahu trvať nezanedbateľnú dobu. Jednou z možností, ako túto etapu zjednodušiť, je použitie flexibilného univerzálneho nástroja, umožnujúceho interaktívnu prácu a testovanie jednotlivých častí zariadenia.

Python je všeobecne pokladaný za univerzálny programovací jazyk vysokej úrovne ďaleko vzdialený od hardware, MicropPython je prepisom referenčnej implementácie CPython jazyka Python pre mikrokontroléry s knižnicami pre prístup k jeho integrovaným perifériám. Implementácia je portovaná pre rôzne cielové platformy, je škálovateľná a open-source. O jeho popularite svedčí aj to, že na githube v súčasnej dobe existuje asi 2000 rôznych vetiev (fork) s rôznymi modifikáciami a úpravami pre rôzne vývojové a experimentálne dosky. Z aplikačného hľadiska je použitie MicroPython jednoduché, ako firmware sa nahrá štandardným programovacím software pre konkrétny typ mikrokontroléra do jeho flash pamäte a zvyčajne prostredníctvom emulácie sériového rozhrania komunikuje s terminálovou aplikáciu v počítači.

Oblasť použitia MicroPython a jeho klonov môžeme rozdeliť do niekokých kategórií

Výuka a vzdelávanie, MicroPython poskytuje možnosť interaktívnej komunikácie s mikrokontrolérom v slučke REPL (Read–Eval–Print Loop). S priamym prístupom k perifériám mikrokotroléra cez akýkoľvek terminálový emulátor bez potreby písania a vysvetlovania množstva kódu potrebného na inicializáciu a elementárnu komunikáciu je možné na veľkom množstve podporovaných dosák vysvetliť študentom základné princípy zberu a spracovania dát, naviac v jednoduchom programovacom jazyku.
Vývoj a testovanie periférií a senzorov. MicroPython poskytuje odladené a vyskúšané referenčné implementácie rozhraní mikrokontrolérov, čím vývojára zbavuje potreby implementácie celej vertikálnej štruktúry spojenej s komunikáciou a riadením periférneho zariadenia. Moderné integrované periférie komunikujúce cez sériové rozhrania (I2C, SPI, CAN …) sú riadené zápisom a čítaním hodnôt často z desiatok rôznych registrov, s individuálnym významom jednotlivých bitov a vzájomným previazaním hodnôt. Priamym interaktívnym prístupom v jednoduchom a populárnom jazyku k registrom zariadenia je možné jednoducho overiť funkciu periférií, vyvinúť a odladiť príslušný hardware a algoritmy pre riadenie a zber dát zo zariadenia. Vďaka abstrakcii hardware a univerzálnosti implementácie je možné pre vývoj využiť aj iné platformy, ako bude cieľová a to bez potreby detailnej znalosti jej programovania.
Monitorovací a konfiguračný nástroj pre komplexné aplikácie. Rozsiahle aplikácie na výkonných mikrokontroléroch a FPGA obsahujú často implementáciu nezávislých pomocných prostriedkov pre monitorovanie a nastavovanie parametrov systému, pri FPGA to býva často SW implementácia niektorého z malých mikroprocesorov (8051, Z80 …), pomocou programu pre tieto mikroprocesory je možné sledovať a nastavovať parametre a konfiguráciu systému. Prvé pokusy s implementáciou MicroPython-u na FPGA ukazujú perspektívu daľšieho vývoja. V oblasti operačných systémov existuje experimentálny port MicroPython pre monitorovanie a nastavovanie parametrov kernelu Linuxu.

STM32 #

Rodina mikrokontrolérov triedy STM32 zahŕňa triedu populárnych mikrokontrolérov obsahujúcich široké spektrum typov líšiacich sa výkonom, pamäťou perifériami a možnosťami optimalizácie spotreby. Vývoj aplikácií je podporovaný firmou STM pomocou dostupných kitov Nucleo, ktoré obsahujú okrem samotného mikrokontroléra aj pomocné obvody a programátor. V distribúcii MicroPython nájdeme podporu pre niektoré typy kitov Nucleo, od jednoduchých až po výkonné typy.

_images/nucleo64.png — Obr. 1 Vývojový kit *Nucleo-64*#

Konektory na doskách Nucleo64 umožňujú použitie vývojových modulov z platformy Arduino. Verzia Nucleo32 je pinovo kompatibilná s platformou Arduino Nano.

Prenositeľnosť kódu #

Vďaka intenzívnemu využívaniu technológie HAL (Hardware Abstraction Layer) umožnuje pre MicroPython prenositeľnosť kódu nielen medzi mikrokontrolérmi v rámci jednej platformy, ale aj naprieč celým spektrom zariadení, na ktorých je portovaný. V nasledujúcom jednoduchom programe sú načítané dáta z teplomera a teplotného komparátora LM92 [6] pripojeného na zbernicu I2C číslo jedna. Dáta sú načítané ako 2 Byte z TEMPERATURE REGISTER na adrese čislo 0, čip obsahuje 7 registrov pre čítanie dát a nastavenie prahových hodnôt komparátorov a hysterézy.

import machine

def read_LM92_TR(ic, addr):
    raw = ic.readfrom_mem(addr, 0, 2)  # nacitanie 2 byte z registra 0 
    data = (raw[0] << 8) + raw[1]      # konverzia 16 bit format
    td = data >> 3                     # 2'compl b15-b3 temperature
    TEMP = (-(td & 0x1000) | (td & 0xFFF))* 0.0625       
    L = data & 0x01                    # T_LOW  -> H, TEMP < 10 deg
    H = (data & 0x02) >> 1             # T_HIGH -> H  TEMP > 64 deg
    C = (data & 0x04) >> 2             # T_CRIT -> H  TEMP > 80 deg
    return TEMP, C, H, L
                                       # MCU STM32L432KC
ic=machine.I2C(1)                      # init I2C interface, PA10-SDA, PA9-SCL
print(ic.scan())                       # -> [75]  list of all devices in I2C(1)
print(read_LM92_TR(ic, 75))            # -> (24.5625, 0, 0, 0)

Uvedený program bude plne funkčný nielen na všetkých podporovaných mikrokontroléroch z triedy STM32, ale aj na ktomkoľvek zariadení, na ktoré je portovaný MikroPython a ktoré na palube obsahuje I2C rozhranie. Ak sú preto na vývoj periférneho zariadenia kladené vyššie požiadavky, môžeme samotný vývoj realizovať na procesore vyššej triedy a pre finálnu aplikáciu využiť jednoduchší procesor.

Modularita #

Aby nebolo potrebné po resete mikrokontroléra opakovane nahrávať časti odladeného kódu do prostredia MicroPython-u, tento umožňuje pridanie nového kódu (frozen module) ako knižnice, ktorá sa stane súčasťou firmware. Celý postup je veľmi jednoduchý a spočíva v uložení súboru s kódom knižnice v Pythone do adresáru ./modules a následnom skompilovaní firmware a jeho nahratí do mikrokontroléra. Knižnica je dostupná pomocou štandardneho príkazu import.

Pri mikrokontroléroch s väčšou FLASH pamäťou je možné jej voľnú časť využiť ako pamäťové médium mapované ako file systém. Knižnica os poskutuje základné funkcie pre vytváranie adresárov a manipuláciu so súbormi. File systém je dostupný aj mimo prostredia MicroPython-u, pomocou utility pyboard je možné do neho ukladať, mazať súbory a vyvárať adresárovú štruktúru.

Flexibilita vývojovej platformy a škálovateľnosť #

Elementárna verzia MikroPython-u bez knižníc má po skompilovaní veľkosť asi 20KB, pri konfigurácii pre jednotlivé platformy sa ale tvorcovia smažili optimálne využiť flash pamäte mikrokontrolérov doplnením čo najväčšieho množstva štandardných knižníc a podporou periférií. V prípade, že mikrokontrolér obsahuje väčšiu pamäť FLASH a RAM, je súčasťou firmware možnosť mapovania pamäte ako súborového systému, do ktorého je možné zaradiť aj externé pamäťové média ako je SD karta a pod. V prípade, že pri vývoji nie sú niektoré knižnice a drivery potrebné, je možné konfiguráciu firmware upraviť podľa aktuálnej potreby. MicroPython pre konfigurácou cieľového firmware pre každú platformu používa súbor mpconfigboard.h. Tento obsahuje premenné, pomocou ktorých vieme zaradiť alebo vyradiť z kompilácie firmware zvolené časti zdrojového kódu.

Rozširiteľnosť #

Pri vývoji neštandardných periférií nemusí dostupná podpora periférií, ktoré sú súčasťou MicroPython-u, vyhovovať a môže vzniknúť požiadavka na nízkoúrovňovú obsluhu periférie. Podobne ako pri štandardnom Pythone, je možné aj MocroPython rozširovať o natívne moduly napísané v C/C++ a ktoré môžu využívať aj systémové knižnice pre obsluhu periférií mikrokontroléra. Pre vytvorenie modulu musíme rovnako ako v štandardnom Pythone vytvoriť rozhranie medzi natívnym modulom a jeho reprezentáciou v Pythone. Pre štandardný Python existujú generátory kódu, napr. SWIG, ktoré vygenerujú potrebné rozhranie na základe zdrojového kódu modulu. Pri MicroPython-e sa používa opačný postup, môžeme použiť generátor rozhrania (stub), ktorý vytvorí stub pozostávajúci z makier v C na základe deklarácie funkcie v Pythone.

MicroPython

Contents