Python在实时嵌入式系统开发中的主要应用

由于Python有强大的社区支持，且是一款比容易入门的脚本语言，因此一些非IT领域的人都选它作为入门语言。但是它不能进行一些底层的操控，在硬件领域并不起眼。然而那都是若干年之前的事情了。随着硬件性能的不断提升，编程开发语言的优劣开始变得不那么明显。

如今在硬件圈同样非常关注Python

如下是树莓派的板子，树莓派能干啥？

在这部分内容开始之前，先带大家回顾一段《生活大爆炸》里的情节。在第一季开播时，这部剧里就有非常炫酷的一幕——几个室友凑在一起用电脑远程控制了家里的家居。提到的远程控制都是指自己控制自己的设备，而不是别人的，请注意千万不要非法操作。

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。实际上如今，Python可以直接进行单片机的开发了！

用Python语言开发STM32单片机

MicroPython基于ANSI C，语法跟Pyton 3基本一致，可以通过Python脚本语言开发单片机程序。它拥有自家的解析器、编译器、虚拟机和类库等。我们熟悉的ARM处理器，像STM32F405、STM32f407等上面可以直接运行Python语言。用户完全可以实现硬件底层的访问和控制，LED流水灯、LCD显示、电压检测、电机控制、SD卡访问等都是轻松玩转。

Python应用在在实时嵌入式系统中

众所周知，Python跑在Linux与Windows上都没问题，诸如Raspberry Pi等单板计算机也不在话下。这么牛？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。

Python在实时嵌入式系统开发中的主要应用如下：

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。

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。

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。

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。

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。

Python+FPGA？

据说是有人用Digilent的PYNQ-Z1板卡实现了超强的加速性能。

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。

然而最近IEEE收录了一篇关于使用Python开发FPGA应用的论文。

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。

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，帮助我们更好地理解了Python + FPGA开发环境的性能和能。结果，通过PYNQ实现较c实现速度提高了30倍之多，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。