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玄貓（BlackCat）

MicroPython效能最佳化實踐

本文探討 MicroPython 效能最佳化技巧，涵蓋程式碼偵錯、浮點數運算最佳化、執行時間測量、編譯器最佳化、內聯彙編以及 C 語言模組整合等導向，提供提升 MicroPython 效能的實務。文章從基礎的偵錯方法開始，逐步深入至進階的效能提升技術，並輔以程式碼範例說明，適合嵌入式系統開發者參考。

嵌入式系統 程式語言
MicroPython 效能最佳化 嵌入式開發 Python 微控制器 原生程式碼

在資源受限的微控制器上，MicroPython 的效能最佳化至關重要。本文提供一系列實踐技巧，從程式碼驗證到原生程式碼整合，循序漸進地引導開發者最佳化 MicroPython 程式碼。文章首先強調程式碼正確性驗證的重要性，接著探討浮點數運算的最佳化策略，並介紹如何使用裝飾器精確測量函式執行時間。更進一步，文章講解了 MicroPython 的編譯器最佳化技術，例如原生程式碼編譯和 Viper 使用，以及如何運用內聯彙編提升關鍵程式碼段的效能。最後，文章討論了將效能瓶頸模組以 C 語言重寫並整合至 MicroPython 的進階技巧，提供開發者全方位的效能最佳化策略。

提升MicroPython效能的關鍵實踐

在嵌入式系統開發中，效能永遠是個不可忽視的核心議題。MicroPython作為一種在微控制器上執行的Python實作，除了具備Python的易用性之外，也面臨著資源有限的挑戰。本章將探討如何最佳化MicroPython程式碼的效能，從基礎的偵錯到進階的最佳化技術，提供具體可行的建議。

驗證程式碼正確性：基礎中的關鍵

在進行任何最佳化之前，首先要確保程式碼的正確性。由於在MicroPython環境下直接附加偵錯器通常不可行，使用REPL（Read-Eval-Print Loop）介面進行互動式偵錯就顯得尤為重要。透過適當地使用print函式輸出關鍵資訊，可以有效地監控程式執行狀態。

# 示例：使用print輸出除錯資訊
def calculate_sum(numbers):
    total = 0
    for num in numbers:
        print(f"Processing number: {num}")  # 輸出目前處理的數字
        total += num
    return total

numbers = [1, 2, 3, 4, 5]
result = calculate_sum(numbers)
print(f"Sum: {result}")

內容解密：

  1. print函式用於輸出除錯資訊，幫助開發者追蹤程式執行流程。
  2. 在複雜的運算或邏輯判斷中，適時輸出變數狀態，有助於快速定位問題。

軟體浮點數運算的影響及最佳化

某些不支援硬體浮點數運算的MicroPython開發板，會使用軟體模擬浮點數運算，導致效能下降。在效能敏感的程式碼段中，盡可能使用整數運算，以減少浮點數運算的使用。

# 示例：使用整數運算避免浮點數運算
def integer_division(a, b):
    # 將浮點數縮放為整數進行運算
    scale = 1000
    a_scaled = int(a * scale)
    b_scaled = int(b * scale)
    result_scaled = a_scaled // b_scaled
    return result_scaled / scale

a = 10.5
b = 2.0
result = integer_division(a, b)
print(f"Result: {result}")

內容解密：

  1. 將浮點數乘以一個縮放因子（如1000），轉換為整數進行運算。
  2. 運算完成後，再除以縮放因子轉換回浮點數結果。
  3. 這種方法在某些情況下可以顯著提升效能，但需要注意精確度問題。

使用裝飾器測量函式執行時間

為了找出效能瓶頸，可以使用裝飾器來測量函式的執行時間。以下是一個測量函式執行時間的裝飾器範例：

import time

def timed_function(f):
    myname = str(f).split(' ')[1]
    def new_func(*args, **kwargs):
        t = time.ticks_us()
        result = f(*args, **kwargs)
        delta = time.ticks_diff(time.ticks_us(), t)
        print(f'Function {myname} Time = {delta/1000:.3f}ms')
        return result
    return new_func

@timed_function
def example_function():
    time.sleep_ms(100)  # 模擬耗時操作

example_function()

內容解密：

  1. timed_function裝飾器用於測量被裝飾函式的執行時間。
  2. 使用time.ticks_us()記錄函式執行前後的時間戳，並計算差值。
  3. 以毫秒為單位輸出函式的執行時間，有助於識別效能瓶頸。

編譯器最佳化技術：原生程式碼與Viper

MicroPython提供了多種編譯器最佳化技術，如micropython.native和micropython.viper裝飾器，可以將Python程式碼編譯為更高效的原生程式碼或Viper程式碼。

@micropython.native
def native_add(a, b):
    return a + b

@micropython.viper
def viper_add(a:int, b:int) -> int:
    return a + b

result_native = native_add(1, 2)
result_viper = viper_add(1, 2)
print(f"Native result: {result_native}, Viper result: {result_viper}")

內容解密：

  1. @micropython.native將函式編譯為原生程式碼，提高執行效率。
  2. @micropython.viper進一步最佳化整數運算等操作，提供更高的效能。
  3. 使用這些裝飾器時需要注意其支援的Python特性限制。

使用內聯彙編提升效能

對於ARM Thumb2架構的微控制器，可以使用內聯彙編來進一步最佳化效能關鍵部分的程式碼。

@micropython.asm_thumb
def asm_add(r0, r1):
    add(r0, r0, r1)

result = asm_add(1, 2)
print(f"ASM result: {result}")

內容解密：

  1. @micropython.asm_thumb裝飾器用於定義內聯彙編函式。
  2. add(r0, r0, r1)將暫存器r1的值加到r0上，並將結果存回r0。
  3. 傳回值預設存放在r0暫存器中。

將模組重寫為C語言

對於效能要求極高的模組，可以考慮用C語言重寫，並編譯到MicroPython中作為原生模組使用。這需要對MicroPython的C API有一定了解。

// 示例C程式碼片段，用於建立原生模組
#include "py/runtime.h"

STATIC mp_obj_t my_module_func(void) {
    return mp_obj_new_int(42);
}
STATIC MP_DEFINE_CONST_FUN_OBJ_0(my_module_func_obj, my_module_func);

STATIC const mp_rom_map_elem_t my_module_globals_table[] = {
    { MP_ROM_QSTR(MP_QSTR___name__), MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_my_module) },
    { MP_ROM_QSTR(MP_QSTR_func), MP_ROM_PTR(&my_module_func_obj) },
};
STATIC MP_DEFINE_CONST_DICT(my_module_globals, my_module_globals_table);

const mp_obj_module_t my_module = {
    .base = { &mp_type_module },
    .globals = (mp_obj_dict_t*)&my_module_globals,
};

內容解密：

  1. 使用MicroPython的C API定義一個新的模組my_module。
  2. 在模組中定義一個函式func，傳回整數42。
  3. 將模組註冊到MicroPython中，使其可以在Python程式碼中使用。

下一步：探索與實踐

MicroPython作為一個年輕且快速發展的專案，為嵌入式開發帶來了新的可能性。除了閱讀本文之外，鼓勵讀者親自動手實踐，將所學知識應用到實際專案中。無論是簡單的週末小專案，還是複雜的產品原型設計，MicroPython都能提供強大的支援。同時，積極參與社群活動，與其他開發者交流經驗，也是提升技能、取得靈感的重要途徑。讓我們一起期待MicroPython在未來帶來的更多驚喜！

MicroPython 社群與資源

MicroPython 不僅是一個程式語言，更是一個充滿活力的社群。加入這個社群，你可以從他人身上學習，發現常見的錯誤，甚至與開發你所使用函式庫的人合作。最終，你將建立起一個支援網路，在需要幫助時提供協助。更重要的是，這是一個雙向的過程，你不僅能獲得幫助，還能貢獻自己的經驗和資源，獲得認可。

Python 社群以友好、開放和包容著稱。他們積極參與各種推廣活動，例如教育專案，並組織了許多有趣、多樣且富有創意的軟體會議。

Python 軟體基金會（PSF）是 Python 社群的重要樞紐。這是一個由志願者長官的組織，致力於推動與 Python 程式語言相關的開放原始碼技術。你可以加入 PSF，支援他們的使命，甚至作為志願者參與其中。PSF 還提供資金支援促進 Python 發展的專案。

深入探索

如果你有興趣為 MicroPython 貢獻程式碼，將 MicroPython 移植到新的開發板，或是為 MicroPython 建立函式庫，第一步就是存取 MicroPython 的官方網站。在那裡，你可以找到活躍的討論區、原始碼連結，以及當前和正在進行的移植專案的詳細資訊。

與其他 MicroPython 使用者交流，可以加入 Freenode 的 #micropython IRC 頻道，或是 microbit-community Slack 工作區。

如果你想深入參與開發，應閱讀 MicroPython 開發者檔案，瞭解專案結構、編碼規範和測試要求。

網路上有很多關於 MicroPython 的教學和專案。Adafruit 和 Hackaday 等網站提供了許多免費的資源和有趣的專案。

MicroPython 的精神

在探索 MicroPython 的過程中，請記住以下原則：

  • Code：編寫程式碼。
  • Hack it：動手修改和實驗。
  • Less is more：簡單就是美。
  • Keep it simple：保持簡單。
  • Small is beautiful：小而美。
  • Be brave! Break things! Learn and have fun!：勇於嘗試，勇於創新，從中學習並享受樂趣。

用 MicroPython 來表達你的創意，祝你 Hacking 愉快！

索引

A

  • affordability：可負擔性。
  • accelerometer：加速度計。
  • Adafruit Industries：Adafruit 工業公司。
  • articulation：清晰表達。

C

  • C (語言)：C 程式語言。
  • callback：回呼函式。
  • capacitative touch：電容式觸控。

D

  • “Daisy Bell” (歌曲)：一首歌曲名稱。
  • daisy chain device configuration：菊花鏈裝置組態。
  • debugging：除錯。

E

  • Electromagnetic Field Camp：電磁場營地。
  • embedded solutions：嵌入式解決方案。
  • enchantment：魔幻般的體驗。

F

  • feedback, visual：視覺回饋。
  • filesystem, micro:bit：micro:bit 的檔案系統。
  • finger-painting program：手指繪畫程式。
  • frozen modules/bytecode：凍結模組/位元組碼。

G

  • gamification：遊戲化。
  • garbage collector (GC)：垃圾回收器。
  • George Robotics Limited：喬治機器人有限公司。

H

  • Hackaday：一個流行的硬體駭客和製造網站。
  • Harry Potter 書籍：哈利波特系列書籍。

索引說明

本索引涵蓋了 MicroPython 相關的重要術語和概念，包括技術名詞、公司名稱、專案和書籍等。它為讀者提供了一個快速參考，以便更深入地瞭解 MicroPython 的世界。

索引解析與技術深度探討

索引是技術檔案中重要的導航工具，本文將深入分析所提供的索引內容，並結合相關技術進行詳細探討。

技術主題分類別

1. 微控制器與MicroPython基礎

  • MicroPython的基本概念及其與Python的關係
  • 微控制器的定義及其應用場景
  • 各類別開發板（PyBoard、micro:bit）的硬體特性與開發環境設定

2. 輸入與感測技術

索引中涵蓋了多種感測技術，包括：

  • 加速度計、陀螺儀和針的應用
  • 按鈕與電容式觸控的實作原理
  • 聲音、光線和溫度感測器的使用方法
  • 如何透過GPIO介面連線外部裝置進行感測

3. 視覺回饋與顯示技術

討論了多種視覺回饋方式：

  1. LED控制技術

    • 基本LED控制原理
    • NeoPixels的使用方法
    • PWM技術在亮度控制中的應用

  2. 顯示技術

    • micro:bit的顯示物件使用
    • PyBoard彩色LCD顯示的實作
    • 影像與文字的顯示技術

4. 網路通訊技術

涵蓋了多種無線通訊技術：

  1. 紅外線通訊的基礎與實作
  2. 無線電模組在micro:bit上的應用
  3. ESP32/ESP8266模組的WiFi連線技術
  4. MQTT協定的實作原理與應用場景

5. 聲音處理與音樂製作

探討了聲音相關的技術：

  1. 簡易聲音的產生（bleeps and bloops）
  2. 音調控制的原理與實作
  3. 音波形式的分析與應用
  4. 音樂模組的使用方法
  5. 語音合成技術的基礎

關鍵技術深度解析

MicroPython的記憶體管理

# 記憶體管理最佳實踐範例
def memory_efficient_function():
    # 使用生成器表示式而非列表推導式
    data = (process(x) for x in large_dataset)
    for result in data:
        yield result

# 避免記憶體碎片化的策略
def allocate_memory_safely():
    # 預先分配適當大小的bytearray
    buffer = bytearray(1024)
    # 重複使用已分配的記憶體
    return buffer

內容解密：

  1. 使用生成器表示式可以有效減少記憶體使用量，因為它不會一次性將所有資料載入記憶體。
  2. 預先分配適當大小的bytearray可以減少記憶體碎片化的風險。
  3. 重複使用已分配的記憶體可以避免頻繁的記憶體分配與釋放。

網路通訊實作範例

# ESP32/ESP8266 WiFi連線範例
import network

def connect_wifi(ssid, password):
    wlan = network.WLAN(network.STA_IF)
    wlan.active(True)
    if not wlan.isconnected():
        print('連線網路中...')
        wlan.connect(ssid, password)
        while not wlan.isconnected():
            pass
    print('網路組態：', wlan.ifconfig())

# 使用MQTT協定進行訊息發布
def publish_message(client, topic, msg):
    client.publish(topic, msg.encode('utf-8'))

內容解密：

  1. 首先初始化WiFi模組並設定為STA模式。
  2. 使用wlan.connect()方法連線到指定的WiFi網路。
  3. 當網路連線成功後，呼叫wlan.ifconfig()取得網路組態資訊。
  4. 使用MQTT客戶端發布訊息到指定的主題。

技術趨勢

  1. 微控制器領域的發展趨勢：

    • 更高效能的處理器核心
    • 更豐富的外設介面
    • 更低的功耗設計

  2. 物聯網（IoT）應用的前景：

    • 更多的裝置將支援無線連線
    • 資料處理將更加邊緣化
    • 安全性將成為重要考量因素

作者簡介與相關資訊

Nicholas H. Tollervey 是一位擁有古典音樂訓練背景的音樂家，同時也是哲學畢業生、教師、作家和軟體開發者。他的個人簡介如同這段文字描述般簡潔、誠實且富含實用資訊。

Nicholas H. Tollervey 在 Twitter 上的帳號是 @ntoll，並在 http://ntoll.org/ 發表他的部落格文章。

封面故事：月神蛾毛蟲

本文《Programming with MicroPython》的封面動物是月神蛾（學名：Actias luna）的毛蟲。月神蛾毛蟲主要分佈在加拿大南部、美國東部和墨西哥北部。在氣候較涼的地區，這種蛾一年只會繁殖一代；而在較溫暖的地區，它一年最多可繁殖三代。雌性月神蛾會在葉片的下方產下 400 至 600 顆卵，卵的孵化期約為 8 至 13 天。

毛蟲的成長與適應

剛孵化的毛蟲主要以當地的山核桃、胡桃和白核桃等樹木為食。這些樹木會產生一種稱為胡桃醌（juglone）的有毒防禦化學物質，以阻止昆蟲取食。然而，月神蛾毛蟲能夠發展出一種酶，使它們能夠耐受飲食中的胡桃醌。

經過大約一個月的進食後，毛蟲會築造一個繭。在繭中度過約三週後，它們會變成蛾飛出。成蛾的翅膀上有特殊的斑紋，在眼狀斑點中呈現出類別似於月牙的形狀，因而得名「月神蛾」。成年蛾類別沒有嘴巴或消化系統，它們僅靠毛蟲時期儲存的脂肪維生約一週，在此期間進行交配和產卵，以重新開始生命迴圈。

本文的版面設計

本文的封面圖片取自《The Sea and On The Land 中的動物生活》（Animal Life In The Sea and On The Land）。封面所使用的字型分別是 URW Typewriter 和 Guardian Sans。正文採用 Adobe Minion Pro 字型；標題採用 Adobe Myriad Condensed 字型；而程式碼部分則使用 Dalton Maag 的 Ubuntu Mono 字型。