如今，大部分電子系統(tǒng)都不再只由硬件組成。無(wú)論在專業(yè)領(lǐng)域還是業(yè)余愛(ài)好者市場(chǎng)，嵌入式系統(tǒng)都是無(wú)源和有源電子元器件與軟件或固件的有機(jī)結(jié)合。這里先簡(jiǎn)單解釋一下“固件”（firmware）這個(gè)詞：它起源于20世紀(jì)60年代末，由“firm”（意為“堅(jiān)固”但又不像硬件那樣“僵硬”）和“ware”（指“軟件”）組合而成。固件之所以“堅(jiān)固”，是因?yàn)樗鎯?chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器（如ROM、EPROM或閃存）中，并且對(duì)于設(shè)備運(yùn)行至關(guān)重要。不過(guò)，它仍然可以更新或修改。

那么，要想開(kāi)發(fā)DIY電子設(shè)備的代碼（尤其是基于微控制器的項(xiàng)目），需要具備什么呢？首先，讓我們來(lái)了解一下面向業(yè)余愛(ài)好者的嵌入式編程語(yǔ)言，其中最常見(jiàn)的選擇是Arduino（C/C++）、MicroPython、CircuitPython及其相關(guān)的運(yùn)行時(shí)環(huán)境。

•  Arduino（C/C++）：Arduino平臺(tái)提供了一種簡(jiǎn)化的C/C++語(yǔ)言，它抽象了底層的復(fù)雜性，同時(shí)提供了用于嵌入式開(kāi)發(fā)的支持庫(kù)。其優(yōu)勢(shì)包括：在關(guān)鍵應(yīng)用中具有更好的性能、內(nèi)存占用更低、硬件兼容性更強(qiáng)、外設(shè)支持更廣泛，以及對(duì)底層硬件的控制力更強(qiáng)。

• MicroPython和CircuitPython：這些Python語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)旨在解決C/C++編程中的一些挑戰(zhàn)。其優(yōu)勢(shì)包括：簡(jiǎn)化的庫(kù)管理、交互式調(diào)試、自動(dòng)存儲(chǔ)掛載以及更好的錯(cuò)誤處理能力。

如果你具備C/C++或Python桌面編程經(jīng)驗(yàn)，建議選擇對(duì)應(yīng)的嵌入式版本以縮短學(xué)習(xí)曲線。對(duì)于沒(méi)有編程經(jīng)驗(yàn)的用戶，可通過(guò)查看各語(yǔ)言的示例項(xiàng)目來(lái)確定哪種語(yǔ)言用起來(lái)更順手?？傮w而言，C/C++在性能方面更具優(yōu)勢(shì)，而基于Python的選項(xiàng)則更注重易用性和可讀性。

編寫(xiě)固件的步驟

無(wú)論選擇何種硬件平臺(tái)和編程語(yǔ)言，編寫(xiě)代碼的總體流程大致相同。首先，我們必須將腦中的邏輯輸入到計(jì)算機(jī)中。這可以通過(guò)簡(jiǎn)單的文本編輯器（如記事本）或更高級(jí)的編輯器（如Visual Studio Code）來(lái)實(shí)現(xiàn)，只需將代碼需要執(zhí)行的步驟以編號(hào)列表的形式寫(xiě)下來(lái)即可。此時(shí)我們還無(wú)需糾結(jié)代碼的細(xì)節(jié)，只需記錄代碼執(zhí)行的預(yù)期流程即可，包括輸入哪些數(shù)據(jù)、如何處理這些數(shù)據(jù)，以及何時(shí)生成哪些輸出。這就是常說(shuō)的“偽代碼”，可以使用你的母語(yǔ)來(lái)編寫(xiě)。

在記錄完代碼的總體需求后，就可以開(kāi)始編寫(xiě)固件了。我們以人類可讀格式編寫(xiě)的代碼稱為“源代碼”。源代碼文件的擴(kuò)展名通常表示所使用的編程語(yǔ)言，例如.ino和.c代表Arduino和C程序，而.py和.mpy則代表Python程序。你只需使用簡(jiǎn)單的文本編輯器就可以編寫(xiě)源代碼，但對(duì)初學(xué)者而言，使用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）可能是更好的選擇。

IDE是一種軟件應(yīng)用程序，它在單個(gè)軟件包中提供了一整套全面的軟件開(kāi)發(fā)工具。除了代碼編輯器外，IDE還包含編譯器/解釋器、調(diào)試器和版本控制等實(shí)用工具。當(dāng)然，我們也完全可以手動(dòng)配置工具鏈，將源代碼編譯成微控制器可識(shí)別的文件（也就是機(jī)器碼），再通過(guò)專用硬件上傳至設(shè)備；但從用戶的角度來(lái)看，IDE可以將所有這些復(fù)雜操作都整合到一個(gè)應(yīng)用程序中來(lái)處理。

不同于Arduino和C語(yǔ)言，MicroPython和CircuitPython是解釋型語(yǔ)言，它們編寫(xiě)的程序會(huì)保持人類可讀的源代碼形式，并直接由微控制器上的Python解釋器執(zhí)行。這種做法省去了編譯步驟，但要求微控制器除了存儲(chǔ)源代碼外，還需具備足夠的資源來(lái)運(yùn)行解釋器。CircuitPython固件必須首先燒錄到硬件中。重啟后，開(kāi)發(fā)板將顯示為一個(gè)USB大容量存儲(chǔ)設(shè)備，用戶可將源代碼復(fù)制到該設(shè)備中。再次重啟后，微控制器將開(kāi)始執(zhí)行代碼。

成功的秘訣

無(wú)論你使用編譯型代碼（如Arduino）還是解釋型代碼（如CircuitPython），在上傳固件前務(wù)必先連接外部硬件，并且確保用于連接微控制器開(kāi)發(fā)套件與開(kāi)發(fā)板的USB電纜能夠傳輸數(shù)據(jù)。若連接后發(fā)現(xiàn)板載LED燈雖然點(diǎn)亮，但I(xiàn)DE卻無(wú)法識(shí)別開(kāi)發(fā)板，則可能是驅(qū)動(dòng)程序不正確，或者使用的USB電纜僅支持供電，沒(méi)有數(shù)據(jù)傳輸線路。此外，在開(kāi)始編寫(xiě)DIY項(xiàng)目的代碼時(shí)，還請(qǐng)考慮以下幾點(diǎn)：

從簡(jiǎn)單項(xiàng)目開(kāi)始

閃爍LED、讀取傳感器數(shù)據(jù)、控制電機(jī)等簡(jiǎn)單任務(wù)都是很好的入門(mén)練習(xí)，有助于理解軟硬件之間如何互相影響。這些知識(shí)并不一定都是顯而易見(jiàn)的，因此建議從小項(xiàng)目開(kāi)始，逐步建立信心。

記得調(diào)試

很少有代碼能在第一次嘗試運(yùn)行時(shí)就按預(yù)期工作，所以培養(yǎng)調(diào)試技能至關(guān)重要。專業(yè)工程師可能更依賴硬件調(diào)試工具（如硬件調(diào)試器、示波器和邏輯分析儀）來(lái)檢查信號(hào)，尤其是在構(gòu)建定制電路板或連接多個(gè)外部組件時(shí)。然而，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，使用串行終端將消息從微控制器傳遞到主機(jī)，是一種更簡(jiǎn)單的調(diào)試方法。Arduino生態(tài)系統(tǒng)使用serial.print()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能，MicroPython中的print()函數(shù)也可以通過(guò)讀取-評(píng)估-打印循環(huán)（REPL）接口輸出消息。實(shí)際上，即使是低成本的開(kāi)發(fā)套件也內(nèi)置了調(diào)試硬件，用戶可通過(guò)IDE插入斷點(diǎn)并查看寄存器。

探索第三方庫(kù)，但也要編寫(xiě)自己的庫(kù)

如果你計(jì)劃為項(xiàng)目添加功能或外部組件（如傳感器、執(zhí)行器），很可能已經(jīng)有現(xiàn)成代碼提供了接口。這些Arduino庫(kù)和MicroPython模塊是讓項(xiàng)目快速可靠運(yùn)行起來(lái)的好方法。然而，過(guò)度依賴庫(kù)和模塊可能會(huì)讓你錯(cuò)失理解軟硬件相互關(guān)系的寶貴學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。當(dāng)項(xiàng)目運(yùn)行起來(lái)后，不妨選擇一個(gè)連接傳感器和微控制器的庫(kù)，從中創(chuàng)建一個(gè)自己的分支，看看是否可以添加這個(gè)庫(kù)中原本沒(méi)有的功能。閱讀庫(kù)或模塊的代碼也是非常有益的，因?yàn)檫@些代碼會(huì)更直接地與硬件（如端口和寄存器）交互。

從實(shí)踐中學(xué)習(xí)

實(shí)踐學(xué)習(xí)和迭代改進(jìn)將提升你對(duì)微控制器編程的理解。除了基本的通用輸入/輸出（GPIO）外，還需要學(xué)習(xí)如何與通信協(xié)議（如I2C、SPI、UART）、電源管理、任務(wù)調(diào)度以及硬件支持的其他高級(jí)功能進(jìn)行交互?？梢赃x擇微控制器的一個(gè)新功能，并學(xué)習(xí)如何編寫(xiě)控制該功能的代碼。

結(jié)語(yǔ)

如今，嵌入式編程的入門(mén)之路比以往都要更加輕松。Arduino、MicroPython和CircuitPython等平臺(tái)為不同技術(shù)背景的開(kāi)發(fā)者提供了功能強(qiáng)大的選項(xiàng)?；贑/C++的Arduino平臺(tái)以高性能和精準(zhǔn)的硬件控制著稱，而基于Python的開(kāi)發(fā)環(huán)境則更注重易用性和快速開(kāi)發(fā)。固件編寫(xiě)是一個(gè)結(jié)構(gòu)化的過(guò)程：首先編寫(xiě)偽代碼，然后在IDE中編寫(xiě)源代碼，再通過(guò)真實(shí)的硬件交互和串行輸出進(jìn)行測(cè)試。初學(xué)者應(yīng)從閃爍LED之類的基礎(chǔ)項(xiàng)目入手，再逐步深入探索調(diào)試技術(shù)、串行通信和內(nèi)置診斷工具。雖然第三方庫(kù)可以加快開(kāi)發(fā)速度，但編寫(xiě)自定義代碼有利于加深理解并提高靈活性。通過(guò)探索I2C、SPI和UART等核心微控制器功能，將開(kāi)啟更先進(jìn)設(shè)計(jì)的大門(mén)，助力工程師實(shí)現(xiàn)新的技術(shù)突破。

作者簡(jiǎn)介

產(chǎn)品工程師（P.E.）Michael Parks是貿(mào)澤電子特約作者，同時(shí)也是Green Shoe Garage的所有者。Green Shoe Garage是馬里蘭州南部一家提供定制電子設(shè)計(jì)的工作室和技術(shù)咨詢機(jī)構(gòu)。他創(chuàng)辦了《S.T.E.A.M. Power Podcast》播客來(lái)提升公眾對(duì)科技的認(rèn)知。此外，他還擁有馬里蘭州專業(yè)工程師資質(zhì)，并獲得了約翰·霍普金斯大學(xué)系統(tǒng)工程碩士學(xué)位。