Raspberry Pi Pico的原型開(kāi)發(fā) 還是用 C 語(yǔ)言好！

文章摘要

本文介紹了作為用于RP2040MCU 的低成本開(kāi)發(fā)板的 Raspberry PiPico (SC0915)，該板能為開(kāi)發(fā)者提供廣泛的功能。文章探討了Pico 和一些擴(kuò)展板，研究了 Raspberry Pi Pico 支持的不同軟件開(kāi)發(fā)工具包，并演示了如何使用 C SDK 創(chuàng)建一個(gè) LED 閃光應(yīng)用。

在嵌入式系統(tǒng)中，有一個(gè)內(nèi)在的需求，就是要有一個(gè)強(qiáng)大的、低成本的微控制器單元 (MCU)。這些設(shè)備不僅在產(chǎn)品中發(fā)揮著重要作用，而且在支持測(cè)試、快速原型設(shè)計(jì)和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 之類能力方面也發(fā)揮著重要作用。然而，使用 MCU 通常需要對(duì) MCU 技術(shù)和底層編程語(yǔ)言有深入的了解。除此之外，開(kāi)發(fā)板的價(jià)格往往在 20 美元到 1000 美元之間，這對(duì)許多開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)可能太昂貴了。此外，并不總是有開(kāi)發(fā)板，即使有開(kāi)發(fā)板，設(shè)計(jì)者也常常要花很多精力讓開(kāi)發(fā)板啟動(dòng)并運(yùn)行起來(lái)。

Raspberry Pi Pico簡(jiǎn)介

Raspberry Pi Pico 作為RP2040 微控制器的開(kāi)發(fā)平臺(tái)而于 2021 年首次推出。Pico可以作為獨(dú)立的開(kāi)發(fā)板使用，或者通過(guò)邊緣連接焊接到載板上，因此可以直接設(shè)計(jì)導(dǎo)入產(chǎn)品（圖 1）。因其低于 5 美元的成本及其多用途特性，Pico 已經(jīng)成為創(chuàng)客和專業(yè)開(kāi)發(fā)者的一個(gè)很受歡迎的解決方案。

圖 1：Raspberry Pi Pico 是一塊低成本的開(kāi)發(fā)板，包含了在 RP2040 微控制器上開(kāi)發(fā)應(yīng)用所需的一切。（圖片來(lái)源：Raspberry Pi）

RP2040 帶有一個(gè)雙核 Arm? Cortex?-M0+處理器，時(shí)鐘頻率為 133 兆赫(MHz)，包括高至 264 千字節(jié) (Kb) 的 SRAM。RP2040 不包括片上閃存。不過(guò) Raspberry Pi Pico 提供了一個(gè) 2 兆字節(jié) (Mb) 的外部閃存芯片，通過(guò)一個(gè)四路串行外設(shè)接口 (QSPI) 與 RP2040 連接。該板還提供了一個(gè)用戶 LED，一個(gè)鎖相環(huán) (PLL) 用來(lái)創(chuàng)建穩(wěn)定高速 CPU 時(shí)鐘的晶體振蕩器，以及一個(gè)用來(lái)配置處理器是正常引導(dǎo)還是進(jìn)入引導(dǎo)程序的按鈕。

一個(gè)廣泛的生態(tài)系統(tǒng)

Raspberry Pi Pico 已經(jīng)有了一個(gè)廣泛的生態(tài)系統(tǒng)，允許開(kāi)發(fā)者選擇使用 MicroPython 或 C 軟件開(kāi)發(fā)工具包來(lái)為電路板編寫應(yīng)用程序。關(guān)于 Raspberry Pi Pico 還有一點(diǎn)有趣的要說(shuō)明的是，并不是只有一塊開(kāi)發(fā)板可用。而是有三個(gè)；只有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)配置的原版SC0915、包括針座連接器的 SC0917以及帶有用于聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的低成本 Wi-Fi 芯片的SC0918（圖 2）。

圖 2：Raspberry Pi Pico 有三種配置。（圖片來(lái)源：Beningo Embedded Group, LLC）

這些版本中的每一個(gè)板子的引腳尺寸都是相同的。板子邊緣連接由 40 針邊緣連接組成，用于圖 3 所示的外圍設(shè)備和連接選件。其中包括電源、地線、通用異步接收器和發(fā)射器 (UART)、通用輸入和輸出 (GPIO)、脈沖寬度調(diào)制 (PWM)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)、串行外設(shè)互連 (SPI)、內(nèi)部集成電路 (I2C) 接口和調(diào)試。

圖 3：Raspberry Pi Pico 邊緣連接引腳分配提供了多種多樣的外設(shè)接入方式。（圖片來(lái)源：Raspberry Pi）

分線板選件

當(dāng) Raspberry Pi 要用于快速原型開(kāi)發(fā)時(shí)，有必要方便接入電路板的邊緣連接器。接入它們的一個(gè)選擇是使用焊接針座并使用試驗(yàn)板。但這種解決方案往往會(huì)導(dǎo)致線路混亂，并從而導(dǎo)致差錯(cuò)。因此，取而代之的是，有多種分線板的選擇，將邊緣連接器擴(kuò)展到更容易獲得的接口。

例如，Bridgetek 的 MM2040EV Pico 模塊板將大部分邊緣連接器分解為插針和插座連接。此外，還有 Seeed Studio 為 Pico 提供的 103100142 盾板，能以連接器的形式提供每個(gè)外設(shè)接口。每個(gè)連接器都與擴(kuò)展板引腳兼容，以便增加像慣性傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和測(cè)距儀之類功能。

C還是用MicroPython

嵌入式系統(tǒng)傳統(tǒng)上都是用 C 語(yǔ)言編寫的，因?yàn)樗骖櫫说蛯拥目刂坪透邔拥南到y(tǒng)應(yīng)用方法。今天 C 語(yǔ)言的問(wèn)題是，它是一種過(guò)時(shí)的、有著 50 年歷史的編程語(yǔ)言，在大學(xué)里很少被教授。也更容易意外引入漏洞并造成損壞。盡管有這些潛在的問(wèn)題，但 C 語(yǔ)言仍然是大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的首選語(yǔ)言。

Raspberry Pi Pico 生態(tài)系統(tǒng)提供的一個(gè)替代 C 語(yǔ)言的方案是 MicroPython。MicroPython 是一個(gè) CPython 端口，旨在運(yùn)行在基于 MCU 的系統(tǒng)上。雖然它無(wú)疑是一個(gè)比 C 語(yǔ)言更重度消耗處理器的用戶，但它是一種現(xiàn)代語(yǔ)言，許多開(kāi)發(fā)人員都熟悉和適應(yīng)它。MicroPython 可以抽象出 MCU 和硬件的低層細(xì)節(jié)。硬件訪問(wèn)是通過(guò)高級(jí)應(yīng)用編程接口 (API) 進(jìn)行的，很容易學(xué)習(xí)——這是在項(xiàng)目期限緊迫的情況下的一個(gè)重要因素。

當(dāng)選擇使用哪種軟件開(kāi)發(fā)工具包 (SDK) 時(shí)（C 或MicroPython），開(kāi)發(fā)者需要關(guān)注其具體的需求。與 MicroPython 相比，使用 C 語(yǔ)言將提供對(duì) MCU 寄存器的低層訪問(wèn)，具有更小的內(nèi)存占用，而且效率更高。

設(shè)置C SDK

當(dāng)使用 C SDK 創(chuàng)建 LED 閃爍應(yīng)用時(shí)，有幾種選擇。第一種是查看 SDK 文檔并按照說(shuō)明進(jìn)行操作。第二種是使用預(yù)設(shè)的 Docker容器來(lái)自動(dòng)安裝所有必要的工具，以便開(kāi)始使用。第三種選擇是手動(dòng)安裝工具鏈和 Raspberry Pi Pico示例代碼，包括：

• Git
• Python 3
• Cmake
• gcc-arm-none-eabi \
• libnewlib-arm-none-eabi

可以通過(guò)使用以下命令克隆 Raspberry Pi 的 git repo 來(lái)完成獲取 Raspberry Pi Pico示例代碼：

git clone https://github.com/raspberrypi/pico-sdk /home/sdk/pico-sdk && \

cd /home/sdk/pico-sdk && \

git submodule update --init &&

這些庫(kù)和源代碼安裝完畢后，下一步就是探索和編譯 LED 閃爍應(yīng)用程序。

編寫第一個(gè)閃爍應(yīng)用程序

C SDK 帶有一個(gè)閃爍實(shí)例，開(kāi)發(fā)者可以用它來(lái)建立其第一個(gè)應(yīng)用程序。以下代碼清單使用 Pico 的板載 LED 和PICO_DEFAULT_LED_PIN 指令來(lái)設(shè)置 I/O 引腳，并以 250 毫秒 (ms) 的延遲進(jìn)行閃爍。

代碼清單：Raspberry Pi Pico 使用PICO_DEFAULT_LED_PIN 指令來(lái)設(shè)置 I/O 引腳，并以 250 毫秒的延遲進(jìn)行閃爍。（代碼來(lái)源：Raspberry Pi）

根據(jù)清單，LED_PIN 被指定為默認(rèn)引腳；然后調(diào)用 C gpio API。gpio_init 用于初始化引腳，而 gpio_set_dir 則用于將 LED_PIN 設(shè)置為輸出。然后創(chuàng)建一個(gè)無(wú)限循環(huán)，每 250 毫秒切換一次 LED 的狀態(tài)。

編譯應(yīng)用程序是相對(duì)簡(jiǎn)單的。首先，開(kāi)發(fā)者需要使用以下命令在他們的Raspberry Pi Pico文件夾中創(chuàng)建一個(gè)構(gòu)建目錄：

mkdir build

cd build

接下來(lái)，cmake需要通過(guò)執(zhí)行以下命令為構(gòu)建做準(zhǔn)備：

cmake

現(xiàn)在，開(kāi)發(fā)者可以換到blinky目錄并運(yùn)行make：

cd blink

make

構(gòu)建過(guò)程的輸出將是一個(gè) blinky.uf2 文件。通過(guò)按住 BOOTSEL 引腳并給電路板通電，可以將編譯好的程序加載到 Raspberry Pi Pico 上。然后，RP2 將作為一個(gè)大容量存儲(chǔ)設(shè)備出現(xiàn)。開(kāi)發(fā)者需要將 blinky.uf2 文件拖到驅(qū)動(dòng)器上，這時(shí)，引導(dǎo)程序?qū)惭b該應(yīng)用程序。一旦完成，LED應(yīng)該就會(huì)開(kāi)始閃爍。

結(jié)語(yǔ)

對(duì)于希望能夠掌控開(kāi)發(fā)節(jié)奏的嵌入式開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，Raspberry Pi Pico 是一個(gè)很有吸引力的解決方案。這個(gè)方案提供多種選擇，包括獨(dú)立的解決方案或帶有無(wú)線連接的板卡。此外，其生態(tài)系統(tǒng)支持 C 和 C++，以及MicroPython。開(kāi)發(fā)人員可以選擇最適合其應(yīng)用的語(yǔ)言，然后利用相應(yīng)的 SDK 來(lái)加速軟件開(kāi)發(fā)。

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