第三章 MicroPython基础知识

       虽然MicroPython易于使用，但对于初学者（特别是Windows平台下的开发者）来说，为了避免因平台差异带来的影响，更好地学习和使用MicroPython，我们还是需要做一些准备工作。这些准备工作包括了解MicroPython的基础知识和使用方法、交互式环境、常见问题及常用的开发工具等。通过这些准备，我们可以更快地掌握MicroPython的开发技巧，更好地发挥其优势。

       本章分为如下几个小节：

       3.1 Python3与MicroPython关联

       3.2 MicroPython系统结构

       3.3 MicroPython的REPL交互式环境

        3.1 Python3与MicroPython关联

       本书并非专注于Python3语言的指南，因此建议读者通过专门的书籍或在线教程来学习Python相关的知识。值得庆幸的是，Python语言以其简单易学的特点而著称，即使之前没有接触过Python，大部分读者也能在几天内初步掌握。在此，我们假设读者已经对Python语言有了初步的了解。

       读者即使没有学过Python语言，掌握起来也是非常快。Python3的参考资料非常多，这里作者推荐了两个免费学习Python网站：

       1，菜鸟教程

       2，黑马程序员

       为了更好地帮助初学者，特别是对Python还不熟悉的读者，让大家可以更好地理解和使用MicroPython，下面列出了几个基本要素：

       1，MicroPython的语法是完全基础Python3的，使用者需了解Python3语言的基础知识。

       2，Python3语言是使用缩进来表示代码的层次（如果缩进不正确，会导致语法错误或者运行错误），而不是用大括号。缩进可以使用TAB键或者空格键，但TAB最好设置为4个空格。

       3，位操作和C语言一样。

       4，逻辑操作使用“and”、“or”和“^”，而不是C语言的“||”、“&&”。

       5，在控制流语句（for、if…else…、match...case）中使用冒号。

       6，注意除法的区别，一个除号“/”代表浮点计算。两个除号“//”代表整数除法。

        3.2 MicroPython系统结构

       一个MicroPython系统的典型构造如下图：它是由微控制器（系统底层硬件）、MicroPython固件和用户程序三大部分组成。其中，硬件和MicroPython固件是最基础且相对不变的部分，而用户程序则可以随时变更，可以存放多个用户程序到系统中，随时调用或切换，这是使用MicroPython的一个特色。

图3.2.1 典型的MicroPython系统架构

       微控制器硬件就如同一个没有安装操作系统的计算机，只有下载了程序后才能实现其他的功能。MicroPython的功能就像嵌入式系统的操作系统（它不同于FreeRTOS、ucOS这样的实时系统，用户程序不能单独修改，因为系统和用户程序是一体的，需要编译后运行）。只有先安装了MicroPython系统（固件），才能运行各种MicroPython程序。

       目前MicroPython源代码支持不同微控制器平台，这需要开发者自己编译对应MCU的MicroPython固件，并将固件下载到微控制器中才能运行MicroPython。

        3.3 MicroPython的REPL交互式环境

       REPL是Read-Evaluate-Print Loop（读取-求值-输出循环）的缩写。许多编程语言都带有某种形式的REPL，它们就像是一个小型Shell，使得程序员能够与解释器（或内核）进行交互，方便地输入各种命令，观察运行状态，因此在程序调试时能够发挥非常大的作用。

       Python语言的REPL功能非常强大，而MicroPython虽然是一个缩减版的Python，但它的REPL功能同样强大。通过REPL交互环境，我们可以访问pyboard、输入程序、测试代码、查找问题、查看帮助、查看磁盘文件等。由于MicroPython是面向嵌入式应用的，因此MicroPython的REPL与Python的标准REPL相比，还存在一些差异，例如快捷键不同，还提供了额外的功能和用法。如果能够熟练掌握这些功能，将有助于我们更好地使用MicroPython。

       3.3.1 常用的终端

       在MicroPython开发中，我们通常使用串口终端软件和MicroPython的REPL（Read-Eval-Print Loop）进行交互，发送命令。通过串口终端软件，我们可以方便地在REPL中输入代码，运行和调试程序，以及打印输出结果。在开发MicroPython程序时，掌握串口终端软件的使用是非常必要的，因为它可以帮助我们更高效地进行开发和调试。

       需要注意的是，不建议使用Windows下的串口调试助手等类似软件进行一般的串口调试和发送数据。这些软件通常不支持输入命令，也不支持粘贴功能，无法与REPL进行交互操作，因此不适合一般的开发需求。建议使用专业的串口终端软件，例如PuTTY、Minicom等，这些软件通常具有更丰富的功能和更好的操作体验。

       另外，本书籍使用的是Thonny软件中的Shell交互窗口，这个交互窗口可以与MicroPython的REPL（Read-Eval-Print Loop）进行交互，发送命令。该软件安装流程及使用，请用户参考第四章的内容。

       3.3.2 REPL的快捷键

       在REPL提供了不少快捷键，使用这些快捷键可以有效减少按键的次数，提供代码输入效率。REPL常用的快捷键如下表所示。

表3.3.2.1 RERL快捷键列表

       按下CTRL+D，将执行软件复位，复位完成后显示以下内容：

MPY: soft reboot
MicroPython v1.22.0-preview.31.g3883f2948.dirty on 2023-11-15; Generic ESP32S3 module with Octal-SPIRAM with ESP32S3
Type "help()" for more information.
>>>

        Tab键在输入代码时是最常用的功能之一，它可以帮助我们快速补全代码，提高输入效率，比如在Thonny工具的终端Shell中，输入“ma”，然后按下Tab键，它就会提示相关信息，如下图所示。

图3.3.2.1 Tab键列出可能的选项

       3.3.3 help()函数的作用

       在Python中，我们可以使用help()函数来获取关于特定对象、模块、函数或类的详细帮助信息。在MicroPython中，这个功能同样得到了支持。在REPL（交互式命令行）环境下，直接输入help()，将会显示一个基本的帮助界面。这个界面提供了关于MicroPython中machine特定库以及REPL用法的信息，可以帮助我们更好地了解基本的命令和函数。

Welcome to MicroPython on the ESP32!
 
For online docs please visit http://docs.micropython.org/
 
For access to the hardware use the 'machine' module:
# machine特定库的示例
import machine
pin12 = machine.Pin(12, machine.Pin.OUT)
pin12.value(1)
pin13 = machine.Pin(13, machine.Pin.IN, machine.Pin.PULL_UP)
print(pin13.value())
i2c = machine.I2C(scl=machine.Pin(21), sda=machine.Pin(22))
i2c.scan()
i2c.writeto(addr, b'1234')
i2c.readfrom(addr, 4)
 
Basic WiFi configuration:
 
import network
sta_if = network.WLAN(network.STA_IF); sta_if.active(True)
sta_if.scan()                             # Scan for available access points
sta_if.connect("", "") # Connect to an AP
sta_if.isconnected()                      # Check for successful connection
# REPL快捷键功能描述
Control commands:
  CTRL-A        -- on a blank line, enter raw REPL mode
  CTRL-B        -- on a blank line, enter normal REPL mode
  CTRL-C        -- interrupt a running program
  CTRL-D        -- on a blank line, do a soft reset of the board
  CTRL-E        -- on a blank line, enter paste mode
 
For further help on a specific object, type help(obj)
For a list of available modules, type help('modules')

       从上述可知，我们可通过help（模块名或函数名）查看更详细的帮助，如查看machine模块中的Pin类接口等详细帮助：

>>> import machine
>>> help(machine.Pin)
object  is of type type
  init -- 
  value -- 
  off -- 
  on -- 
  irq -- 
  board -- 
  IN -- 1
  OUT -- 3
  OPEN_DRAIN -- 7
  PULL_UP -- 2
  PULL_DOWN -- 1
  IRQ_RISING -- 1
  IRQ_FALLING -- 2
  WAKE_LOW -- 4
  WAKE_HIGH -- 5
  DRIVE_0 -- 0
  DRIVE_1 -- 1
  DRIVE_2 -- 2
  DRIVE_3 -- 3
>>>

        首先，我们使用import导入machine模块，然后可以通过help()函数来获取machine模块中Pin类的接口等相关帮助信息。根据上述内容可知， 代表函数，代表类，而其他则代表宏的数值。

       help()函数可以一级一级深入查看，如：

>>> help(machine.Pin.init)
object  is of type function
>>> help(machine.Pin.value)
object  is of type function
>>>

        上述内容可知，machine特定库的Pin类中的init和value方法是一个函数类型。如果开发者能够灵活利用help()函数，就可以查看大部分函数的基本用法和很多常量定义，甚至不需要看手册就能够知道该接口的用法。

       3.3.4 查看模块包含的变量和函数

       在Python中，使用dir()函数可以查看一个模块内部包含的所有变量和函数。同样，MicroPython也支持这个函数。通过使用dir()函数，我们可以快速查看当前系统已经导入了哪些模块：

>>> import machine
>>> dir()
['__name__', 'os', '__thonny_helper', 'gc', 'bdev', 'machine']
>>>

        在MicroPython中，我们首先需要导入machine模块，然后使用dir()函数来查看系统已经导入了哪些模块。在系统信息提示中，我们可以看到已经包含了machine模块的信息。

       也可以通过dir()函数查看模块内部的变量和函数，与help()函数一样，dir()函数也可以深入到模块内部：

>>> import machine
>>> dir()
['__name__', 'os', '__thonny_helper', 'gc', 'bdev', 'machine']
>>> dir(machine)
['__class__', '__name__', '__dict__', 'ADC', 'ADCBlock', 'DEEPSLEEP', 'DEEPSLEEP_RESET', 'EXT0_WAKE', 'EXT1_WAKE', 'HARD_RESET', 'I2C', 'I2S', 'PIN_WAKE', 'PWM', 'PWRON_RESET', 'Pin', 'RTC', 'SDCard', 'SLEEP', 'SOFT_RESET', 'SPI', 'Signal', 'SoftI2C', 'SoftSPI', 'TIMER_WAKE', 'TOUCHPAD_WAKE', 'Timer', 'TouchPad', 'UART', 'ULP_WAKE', 'WDT', 'WDT_RESET', 'bitstream', 'bootloader', 'deepsleep', 'dht_readinto', 'disable_irq', 'enable_irq', 'freq', 'idle', 'lightsleep', 'mem16', 'mem32', 'mem8', 'reset', 'reset_cause', 'sleep', 'soft_reset', 'time_pulse_us', 'unique_id', 'wake_reason']
>>>

       作者希望开发者善于利用help()和dir()函数，在调试与输入代码时，更够帮助我们查看内部变量和函数名称，了解模块的功能和用法。