早年，雖然Python是一款比較容易上手的腳本語(yǔ)言，而且有強(qiáng)大的社區(qū)支持，一些非計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的人都選它作為入門(mén)語(yǔ)言。遺憾的是，它不能實(shí)現(xiàn)一些非常底層的操控，所以在硬件領(lǐng)域并不起眼。

然而今時(shí)不同往日！

硬件圈同樣非常關(guān)注Python！

說(shuō)到Python用于硬件開(kāi)發(fā)。很多人可能想到的是樹(shù)莓派等支持linux系統(tǒng)的（樹(shù)莓派和Arduino應(yīng)用Python的的例子實(shí)在是多，比如，利用Raspberry Pi的硬件和Python語(yǔ)言來(lái)完成一個(gè)機(jī)器人制作。），然而現(xiàn)在Python已經(jīng)完全可以脫離系統(tǒng)，直接進(jìn)行單片機(jī)的開(kāi)發(fā)了。

用Python語(yǔ)言控制單片機(jī)

MicroPython是在單片機(jī)上可以跑的Python，你可以通過(guò)Python腳本語(yǔ)言開(kāi)發(fā)單片機(jī)程序。MicroPython基于ANSI C，語(yǔ)法跟Pyton 3基本一致，擁有自家的解析器、編譯器、虛擬機(jī)和類(lèi)庫(kù)等。目前它支持基于32-bit的ARM處理器，比如STM32F405、STM32f407等，也就是說(shuō)ARM處理器STM32F405上直接可運(yùn)行Python語(yǔ)言，用Python語(yǔ)言來(lái)控制單片機(jī)。

借助Micro Python，用戶完全可以通過(guò)Python腳本語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)硬件底層的訪問(wèn)和控制，比如說(shuō)控制LED燈泡、LCD顯示器、讀取電壓、控制電機(jī)、訪問(wèn)SD卡等。

下面這篇美國(guó)EDN發(fā)布的文章，介紹了Python在實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中扮演的角色：Python's role in developing real time embedded systems。

Python具有良好的跨平臺(tái)性，比如Linux和Windows，或是諸如Raspberry Pi等單板計(jì)算機(jī)。不過(guò)，隨著Python的日益普及，人們可能會(huì)問(wèn)，在實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)中是否也有Python的一席之地。答案是肯定的。下面是開(kāi)發(fā)人員發(fā)現(xiàn)Python在實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中有可能扮演的五個(gè)主要角色。

作用# 1設(shè)備調(diào)試和控制

在嵌入式軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)人員常常需要分析總線通信量，如USB、SPI或I2C。有的分析僅僅是出于調(diào)試目的，但有時(shí)則需要控制總線分析儀并發(fā)送信息至嵌入式系統(tǒng)。許多總線分析儀和通信工具都有友好的用戶接口，可以用來(lái)控制工具。他們通常還提供一種方法來(lái)開(kāi)發(fā)腳本，也可以用來(lái)控制工具。Python是一種普遍支持的腳本語(yǔ)言，有時(shí)則是一些工具的接口，或是用來(lái)控制工具。

作用# 2–自動(dòng)化測(cè)試

通過(guò)Python控制工具在嵌入式系統(tǒng)中發(fā)送和接收消息的能力，使得利用Python構(gòu)建自動(dòng)化測(cè)試（包括回歸測(cè)試）成為可能。Python腳本可以設(shè)置嵌入式系統(tǒng)進(jìn)入不同的狀態(tài)，設(shè)置配置文件，并測(cè)試所有可能的干擾以及系統(tǒng)與外部環(huán)境的相互作用。使用Python開(kāi)發(fā)自動(dòng)化測(cè)試的好處是，回歸測(cè)試可以開(kāi)發(fā)持續(xù)測(cè)試并訓(xùn)練系統(tǒng)。任何的代碼變動(dòng)導(dǎo)致的bug或不合格的結(jié)果都將被實(shí)時(shí)的檢測(cè)出來(lái)。

作用# 3–數(shù)據(jù)分析

通過(guò)Web簡(jiǎn)單地搜索Python庫(kù)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，有許多免費(fèi)強(qiáng)大的Python庫(kù)都可以用來(lái)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序。Python可以用來(lái)接收非常重要的嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)，然后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)或是本地進(jìn)行分析。開(kāi)發(fā)者還可以使用Python開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)可視化功能來(lái)展現(xiàn)臨界參數(shù)，或是存儲(chǔ)這些參數(shù)用于后續(xù)分析。使用Python進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的優(yōu)點(diǎn)之一是當(dāng)基礎(chǔ)性工作完成之后，新功能的植入會(huì)顯得比較簡(jiǎn)單。

作用# 4–實(shí)時(shí)軟件

Python已經(jīng)證實(shí)了自己的強(qiáng)大性和易使用性，甚至發(fā)現(xiàn)它是作為一門(mén)編程語(yǔ)言進(jìn)入實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)。是的，嵌入式軟件本身就是用Python寫(xiě)的而不是C/C++。用于實(shí)時(shí)軟件最廣泛的Python版本是MicroPython，大多是設(shè)計(jì)在ARM Cortex-M3/4微控制器上運(yùn)行。MicroPython并不孤立。Synapse和OpenMV公司在嵌入式系統(tǒng)中既使用MicroPython也使用他們自己的Python port。對(duì)MicroPython感興趣的讀者可能對(duì)DesignNews（EDN的姐妹機(jī)構(gòu)）的繼續(xù)教育課程也感興趣。

作用# 5–學(xué)習(xí)面向?qū)ο缶幊?/p>

Python是一門(mén)免費(fèi)的編程語(yǔ)言，可以跨多個(gè)平臺(tái)使用，對(duì)于學(xué)生和非編程人員而言比較簡(jiǎn)單。該語(yǔ)言與C語(yǔ)言不同，它也是現(xiàn)代式的，并且可以在自由形態(tài)的腳本類(lèi)型中結(jié)構(gòu)化，或是作為一個(gè)復(fù)雜的面向?qū)ο蟮捏w系結(jié)構(gòu)。Python本身也很靈活。甚至還有這種情景：沒(méi)有編程經(jīng)驗(yàn)的電氣工程師可以利用Python寫(xiě)出有用的測(cè)試腳本或用最少的時(shí)間實(shí)施電板檢查。

Python的學(xué)習(xí)曲線并不陡峭，熟悉Python學(xué)習(xí)曲線的開(kāi)發(fā)人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)你有了其它語(yǔ)言的基礎(chǔ)之后，學(xué)習(xí)Python比學(xué)習(xí)任意其他的編程語(yǔ)言都要簡(jiǎn)單。出于這些原因，當(dāng)開(kāi)發(fā)人員看到Python扮演著編程孵化器角色，并吸收其它缺乏經(jīng)驗(yàn)的工程師對(duì)宜早不宜遲的設(shè)計(jì)周期做出貢獻(xiàn)時(shí)，不應(yīng)該感到驚訝。

什么？Python+FPGA??？

夏宇聞老師幾個(gè)月前在微信上推薦了一個(gè)帖子，說(shuō)的是有人用Digilent的PYNQ-Z1板卡實(shí)現(xiàn)了超強(qiáng)的加速性能。

早年，關(guān)于FPGA的開(kāi)發(fā)都是基于硬件描述語(yǔ)言，從開(kāi)始的VHDL到現(xiàn)在更為流行的Verilog，軟件應(yīng)用也從由最開(kāi)始的匯編語(yǔ)言發(fā)展到現(xiàn)在的c/c++實(shí)現(xiàn)，這些都是目前為大多數(shù)FPGA開(kāi)發(fā)者所熟悉的FPGA發(fā)展路程。上個(gè)月，IEEE收錄了一篇關(guān)于使用Python開(kāi)發(fā)FPGA應(yīng)用的論文。

在美國(guó)納帕舉行的第25屆關(guān)于可編程計(jì)算機(jī)器領(lǐng)域IEEE國(guó)際討論會(huì)上，一篇名為“評(píng)估通過(guò)Python快速開(kāi)發(fā)異構(gòu)處理器FPGA應(yīng)用性能”的短篇論文獲得了最佳短篇論文獎(jiǎng)。這篇論文主要討論了Python開(kāi)發(fā)FPGA應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)和效率，論文中針對(duì)Digilent的PYNQ-Z1板卡（內(nèi)部集成一個(gè)Xilinx Zynq SoC），通過(guò)支持Python編程和Jupyter Notebooks框架的PYNQ開(kāi)發(fā)環(huán)境，應(yīng)用Python對(duì)此板卡進(jìn)行開(kāi)發(fā)編程，并最終評(píng)估開(kāi)發(fā)結(jié)果的優(yōu)勢(shì)和效率。值得一提的是，發(fā)表這篇論文的作者都是業(yè)界大佬，包括高級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)家AndrewG.Schmidt、計(jì)算機(jī)科學(xué)家Gabriel Weise以及來(lái)自美國(guó)南加州大學(xué)工程技術(shù)科學(xué)協(xié)會(huì)的研究室主任Matthew French。在論文中，Matthew French教授主要就利用PYNQ開(kāi)發(fā)環(huán)境，應(yīng)用Python語(yǔ)言對(duì)Xilinx Zynq器件進(jìn)行編程應(yīng)用開(kāi)發(fā)時(shí)對(duì)FPGA器件的影響、性能結(jié)果以及瓶頸影響進(jìn)行了評(píng)估。此外，各位教授就基于Python的開(kāi)發(fā)結(jié)果與已經(jīng)存在的基于C語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)及手動(dòng)開(kāi)發(fā)結(jié)果進(jìn)行了比較分析。

在論文中，各位教授還對(duì)PYNQ開(kāi)發(fā)環(huán)境的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了闡述：

首先來(lái)說(shuō)，PYNQ應(yīng)用開(kāi)發(fā)框架是一個(gè)開(kāi)源的開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供了標(biāo)準(zhǔn)的可以約束芯片I/O引腳的“Overlay”比特流，同時(shí)，開(kāi)發(fā)人員可以在此開(kāi)發(fā)環(huán)境中，利用Python對(duì)FPGA進(jìn)行快速編程開(kāi)發(fā)。此外，PYNQ開(kāi)發(fā)環(huán)境內(nèi)部集成標(biāo)準(zhǔn)的編程范式，支持HDMI和視頻流的輸出輸出，同時(shí)具有兩組12pin的PMOD連接器和一個(gè)兼容Arduino的連接器（可以連接或配置為Arduino系列板卡）。其中，默認(rèn)的overlay中實(shí)例化了多個(gè)可以驅(qū)動(dòng)多I/O接口的微Blaze處理器核，也可以配置一些支持圖像濾波功能和試驗(yàn)SIMT（單指令，多線程）編程軟邏輯GPU的overlay。同時(shí)，PYNQ也提供了支持比特流編程的API和可擴(kuò)展的通用Python庫(kù)和包，并且可以通過(guò)存儲(chǔ)映射I/O（MMIO）直接尋址可編程邏輯單元，另外還支持DMA交易（不需要經(jīng)過(guò)器件驅(qū)動(dòng)和核模塊之間的不斷握手確認(rèn)）。

其次，就目前來(lái)說(shuō)，PYNQ還不支持任何高級(jí)的綜合，也無(wú)法將Python應(yīng)用直接移植到FPGA中。這就意味著，開(kāi)發(fā)者依然原型必須使用FPGA來(lái)創(chuàng)建一個(gè)設(shè)計(jì)，即當(dāng)PYNQ提供一個(gè)支持板卡IO接口的Overlay框架以時(shí)，任何用戶邏輯依然必須由開(kāi)發(fā)者親自創(chuàng)建并綜合。不過(guò)，開(kāi)發(fā)者仍然可以使用高級(jí)綜合工具或上面提到的Python-to-HDL工程來(lái)完成這個(gè)任務(wù)，但是最終，開(kāi)發(fā)者依然需要基于此設(shè)計(jì)并創(chuàng)建一個(gè)整合了Python代碼比特流文件。

也正是由于PYNQ存在這方面的缺陷，論文的作者并沒(méi)有簡(jiǎn)單依賴現(xiàn)存的PYNQ API接口和overlay，他們開(kāi)發(fā)出一個(gè)基于Redsharc項(xiàng)目的特定應(yīng)用程序內(nèi)核進(jìn)行研究。

結(jié)果如何呢？論文最后，作者對(duì)給出了Python開(kāi)發(fā)Zynq應(yīng)用的各項(xiàng)評(píng)估結(jié)果。結(jié)果中給出了通過(guò)c/c++實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)研究的一般圖像處理管道性能，以及定制的硬件加速器和Python實(shí)現(xiàn)的性能結(jié)果（下圖所示），幫助我們更好地理解了Python + FPGA開(kāi)發(fā)環(huán)境的性能和能。表中可以看出，結(jié)果十分明顯，通過(guò)PYNQ實(shí)現(xiàn)較c實(shí)現(xiàn)速度提高了30倍之多，更甚者，從結(jié)果中可以看出，當(dāng)Python實(shí)現(xiàn)時(shí)有更加有效的可用庫(kù)時(shí)，比如OpenCV，其性能可以增長(zhǎng)更多。

Python軟件實(shí)現(xiàn)和FPGA性能潛力的結(jié)合是一個(gè)非常有意義的工作，將會(huì)開(kāi)創(chuàng)出一個(gè)類(lèi)似于樹(shù)莓派和Arduino的廣大的開(kāi)發(fā)者社區(qū)。Python+FPGA是一個(gè)廣闊的未經(jīng)勘察過(guò)的領(lǐng)域——一個(gè)全新的更加高效的開(kāi)發(fā)空間——通過(guò)PYNQ開(kāi)發(fā)環(huán)境將會(huì)吸引更多的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者加入的領(lǐng)域。

日前在賽靈思OPENHW2017創(chuàng)新大賽暨教師峰會(huì)上，北京理工大學(xué)嵩天副教授《Python編程語(yǔ)言和PYNQ在中國(guó)》的演講，科普了Python編程風(fēng)靡全球的原因。

Python編程語(yǔ)言舉例，只用了21行代碼就完成了一個(gè)圖像素描的處理，Python大大提升了開(kāi)發(fā)效率。

人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)走熱，讓 Python 從眾多編程語(yǔ)言中脫穎而出。

還等什么呢？

人生苦短，我用Python