MicroPython nRF 移植版完全指南從 nRF51 到 nRF9160 的編譯、燒錄與 BLE 開發(fā)【免費下載鏈接】micropythonMicroPython - a lean and efficient Python implementation for microcontrollers and constrained systems項目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/mi/micropythonMicroPython 官方倉庫micropython中的ports/nrf移植版port將 MicroPython 運行時帶到了 Nordic Semiconductor 的 nRF 系列芯片上覆蓋 nRF51如 micro:bit、nRF52832、nRF52840 以及蜂窩網(wǎng)絡芯片 nRF9160。本文基于 ports/nrf/README.md 并結合該移植版源碼系統(tǒng)講解支持的功能特性、板卡選擇、編譯燒錄流程、SoftDevice 藍牙協(xié)議棧集成、文件系統(tǒng)VFS配置、BLE REPL 與引腳編號規(guī)則幫助你在真實 nRF 硬件上完成從構建到運行的完整閉環(huán)。一、移植版概覽與支持的功能特性ports/nrf是 MicroPython 對 Nordic nRF 系列芯片的官方移植其目標是在資源受限的 MCU 上運行精簡的 Python 運行時。README 中列出的核心功能包括UART串口通信與 REPL 支持SPI串行外設接口LED與Pin引腳GPIO 控制ADC模數(shù)轉換I2CPWM僅 nRF52 系列支持硬件 PWMTemperature溫度讀取片上溫度傳感器RTCReal Time Counter低功耗計數(shù)器BLE 支持包括nRF51 目標上的Peripheral外設角色nRF52 目標上的Central主機和 Peripheral 角色通過 BLE 提供 REPL可選使用 WebBluetoothubluepy面向 MicroPython 的 BLE 模塊連接建立后仍可運行1 個不可連接的廣播advertiser。從源碼結構可以印證這些功能的實現(xiàn)位置。在 ports/nrf/modules/machine 目錄下分別有uart.c、spi.c、pin.c、adc.c、i2c.c、pwm.c、rtcounter.c、temp.c、timer.c、soft_pwm.c等模塊實現(xiàn)BLE 相關代碼位于 ports/nrf/modules/blemodble.c和 ports/nrf/modules/ubluepymachine模塊入口則定義在 ports/nrf/modules/machine/modmachine.c。此外ports/nrf/mpconfigport.h 中為不同芯片設置了不同的功能等級MICROPY_CONFIG_ROM_LEVELnRF51822 在啟用 SoftDevice 時使用MICROPY_CONFIG_ROM_LEVEL_MINIMUM因為協(xié)議棧占用閃存和 RAM否則為CORE_FEATURESnRF52832 為BASIC_FEATURESnRF52840 與 nRF9160 為EXTRA_FEATURES。這解釋了為什么不同芯片上可用的 Python 功能集不同——資源越多ROM 等級越高。二、已測試硬件與板卡支持矩陣已測試的芯片與開發(fā)板README 記錄了經(jīng)過驗證的硬件平臺nRF51 系列micro:bitPCA10000donglePCA10001PCA10028PCA10031dongleWT51822-S4ATnRF52832PCA10040Adafruit Feather nRF52Thingy:52Arduino PrimoIBK-BLYST-NANObreakout 板BLUEIO-TAG-EVIM BLYST Nano Sensor 板uBlox EVK-NINA-B1nRF52840PCA10056PCA10059dongleParticle XenonnRF52840 MDK USB Dongle詳見 boards/NRF52840_MDK_USB_DONGLE/README.mdnRF9160PCA10090nRF9160-DKActinius Icarus板卡BOARD、協(xié)議棧與燒錄工具對照表下表是 README 提供的官方板卡支持矩陣包含默認的 SoftDeviceSD、BLE 支持角色、Bootloader 以及默認燒錄工具Target BoardBOARD藍牙協(xié)議棧SD藍牙支持Bootloader默認燒錄工具MICROBITs110PeripheralPyOCDPCA10000s110PeripheralSeggerPCA10001s110PeripheralSeggerPCA10028s110PeripheralSeggerPCA10031s110PeripheralSeggerWT51822_S4ATs110Peripheral手動見數(shù)據(jù)手冊引腳圖PCA10040s132Peripheral 與 CentralSeggerFEATHER52s132Peripheral 與 Central手動板底 SWDIO/SWCLK 焊點ARDUINO_PRIMOs132Peripheral 與 CentralPyOCDIBK_BLYST_NANOs132Peripheral 與 CentralIDAPIDK_BLYST_NANOs132Peripheral 與 CentralIDAPBLUEIO_TAG_EVIMs132Peripheral 與 CentralIDAPEVK_NINA_B1s132Peripheral 與 CentralSeggerPCA10056s140Peripheral 與 CentralSeggerPCA10059s140Peripheral 與 CentralOpenBootloadernrfutilPARTICLE_XENONs140Peripheral 與 CentralBlack Magic ProbeNRF52840_MDK_USB_DONGLEs140Peripheral 與 CentralOpenBootloadernrfutilPCA10090無bsdlib.a無LTE/GNSSSeggerACTINIUS_ICARUS無bsdlib.a無LTE/GNSSSegger注nRF9160PCA10090、ACTINIUS_ICARUS不運行 BLE 協(xié)議棧而是使用bsdlib.aNordic 的 BSD 庫提供LTE/GNSS蜂窩通信能力因此表中“藍牙支持”為“無”。當前倉庫ports/nrf/boards/目錄下實際包含的板卡還包括ARDUINO_NANO_33_BLE_SENSE、DVK_BL652、EVK_NINA_B3、SEEED_XIAO_NRF52等比 README 表格所列更多。以 PCA10040 為例其 mpconfigboard.mk 定義了MCU_SERIES m4 MCU_VARIANT nrf52 MCU_SUB_VARIANT nrf52832 SOFTDEV_VERSION 6.1.1 LD_FILES boards/nrf52832_512k_64k.ld NRF_DEFINES -DNRF52832_XXAA MICROPY_VFS_LFS2 1可以看出板卡配置由MCU_SERIES/MCU_VARIANT/MCU_SUB_VARIANT決定芯片型號SOFTDEV_VERSION決定 SoftDevice 版本LD_FILES指定鏈接腳本MICROPY_VFS_LFS2默認啟用 littlefs v2 文件系統(tǒng)。三、編譯與燒錄從零開始構建 nRF 固件前置準備構建 nRF 移植版需要先克隆倉庫并構建mpy-cross交叉編譯器git clone URL.git micropython cd micropython make -C mpy-crossmpy-cross用于在編譯期把 Python 源碼預編譯為.mpy字節(jié)碼是凍結模塊frozen modules的基礎。默認目標板為PCA10040nRF52832這一默認值定義在 ports/nrf/Makefile 的第 8 行BOARD ? PCA10040。構建并燒錄默認板進入ports/nrf/目錄后執(zhí)行make submodules make make deploy其中make submodules拉取lib/CMSIS_6、lib/nrfx、lib/tinyusb等 Git 子模塊見 ports/nrf/Makefile 中GIT_SUBMODULES lib/CMSIS_6 lib/nrfx lib/tinyusbmake編譯固件默認生成build-PCA10040/firmware.hex與.binmake deploy調用默認燒錄器默認FLASHER ? jlink即 Segger JLink nrfjprog燒錄固件。指定其他板卡make submodules make BOARDPCA10040 make BOARDPCA10040 deployBOARD變量會被映射到ports/nrf/boards/$(BOARD)目錄見 ports/nrf/Makefile如果目錄不存在會直接報錯Invalid BOARD specified。構建產(chǎn)物目錄名會隨板卡變化build-$(BOARD)若指定了SD則為build-$(BOARD)-$(SD_LOWER)。關閉 LTO 編譯為節(jié)省空間nRF 移植版在所有目標上默認啟用LTO鏈接時優(yōu)化通過-flto鏈接器標志實現(xiàn)見 ports/nrf/Makefile 中LTO ? 1及CFLAGS -flto。可以通過LTO參數(shù)關閉make BOARDPCA10040 LTO0當LTO0時Makefile 會改用-ffunction-sections -fdata-sections與-Wl,--gc-sections來去除未使用代碼段。重要提示GNU ARM Embedded Toolchain 7.2.1/4Q17 與 LTO 組合曾出現(xiàn)多個問題建議使用該版本之后的工具鏈如 7.3.1/2Q18 或 8.2.1/4Q18或者按上述方式以LTO0構建。這也與 ports/nrf/Makefile 中$(PY_BUILD)/nlr%.o: CFLAGS -Os -fno-lto的特殊處理相互印證——NLR非本地跳轉相關目標文件即使在 LTO 開啟時也單獨禁用 LTO以避免長跳轉代碼被優(yōu)化破壞。芯片平臺差異編譯器前綴為arm-none-eabi-CROSS_COMPILE ? arm-none-eabi-nRF51Cortex-M0使用-mfloat-abisoft軟浮點nRF52Cortex-M4使用-mfpufpv4-sp-d16 -mfloat-abihardnRF9160Cortex-M33使用-mcpucortex-m33 -marcharmv8-m.maindsp -mcmse見 ports/nrf/Makefile 中CFLAGS_MCU_m0/m4/m33nRF51822 還需在 ports/nrf/mpconfigport.h 中啟用MICROPY_NLR_THUMB_USE_LONG_JUMP因為 Thumb-1 指令集在 LTO 下 NLR 跳轉距離不確定nRF51 不支持浮點MICROPY_FLOAT_IMPL_NONEnRF52/nRF9160 使用MICROPY_FLOAT_IMPL_FLOAT。四、集成 Bluetooth StackSoftDevice的編譯與燒錄BLE 功能依賴 Nordic 的 SoftDevice 協(xié)議棧。首先下載對應協(xié)議棧與頭文件./drivers/bluetooth/download_ble_stack.sh下載完成后編譯時通過SD參數(shù)指定協(xié)議棧make BOARDPCA10040 SDs132燒錄協(xié)議棧使用sd目標make BOARDPCA10040 SDs132 sd注意make sd會對芯片執(zhí)行全片擦除nrfjprog --eraseall這可能同時抹掉第三方 bootloader。若板卡帶 OpenBootloader如 PCA10059、NRF52840_MDK_USB_DONGLE協(xié)議棧與應用的燒錄順序由 nrfutil DFU 流程處理。從 ports/nrf/Makefile 的sd目標可以看到其燒錄序列--eraseall全擦 → 燒錄$(SOFTDEV_HEX)→ 燒錄應用 → 復位。指定SD后鏈接腳本會自動追加boards/$(SD_LOWER)_$(SOFTDEV_VERSION).ld如s132_6.1.1.ld并引入drivers/bluetooth/bluetooth_common.mk以鏈接協(xié)議棧頭文件。SOFTDEV_VERSION在各板卡mpconfigboard.mk中定義PCA10040/PCA10056 均為 6.1.1倉庫ports/nrf/boards/下提供了s110_8.0.0.ld、s132_6.1.1.ld、s140_6.1.1.ld、s140_7.3.0.ld等鏈接腳本。關于 BLE 特性的進一步調優(yōu)如 BLE REPL 等可通過編輯 ports/nrf/bluetooth_conf.h 實現(xiàn)。該文件按協(xié)議棧類型定義藍牙功能開關BLUETOOTH_SD 110s110啟用MICROPY_PY_BLE、MICROPY_PY_UBLUEPY、MICROPY_PY_UBLUEPY_PERIPHERALBLUETOOTH_WEBBLUETOOTH_REPL為 0BLUETOOTH_SD 132/140s132/s140額外啟用MICROPY_PY_UBLUEPY_CENTRALCentral 角色。這正與 README 所述“nRF51 僅 Peripheral 角色、nRF52 支持 Peripheral 與 Central”對應。而MICROPY_PY_BLE_NUSNordic UART Service默認定義為0需要手動開啟。五、凍結 manifestFreeze Manifest凍結freeze可以將 Python 源碼或.mpy字節(jié)碼編譯進固件避免運行時從文件系統(tǒng)導入。通過FROZEN_MANIFEST指定一個manifest.py即可方式一make 命令行傳入make BOARDPCA10040 FROZEN_MANIFESTpath/to/manifest.py方式二在板卡 makefile 中定義在具體板卡的mpconfigboard.mk中添加FROZEN_MANIFEST ? $(BOARD_DIR)/manifest.py兩種方式同時存在時手動 make 命令行傳入的值優(yōu)先級更高因為?只在變量未定義時生效。實際上ports/nrf/Makefile 已根據(jù)MICROPY_PY_ASYNCIO自動選擇 manifest啟用 asyncio 時使用boards/manifest.py否則使用boards/manifest_minimal.py對應 boards/manifest.py 與 boards/manifest_minimal.py并且 nRF 移植版默認開啟 asyncioMICROPY_PY_ASYNCIO ? 1。同時該移植版還包含freeze/目錄與modules/scripts/_boot.py等可凍結內(nèi)容。六、啟用文件系統(tǒng)FATFS 與 littlefsVFSnRF 移植版支持多種片內(nèi)文件系統(tǒng)。由于oofatfs模塊沒有可排除實現(xiàn)編譯的頭文件保護移植版提供了顯式開關MICROPY_VFS_FAT默認值為 0需要顯式設為 1 才會編譯 FATFS 相關代碼并且還需要在mpconfigport.h中設置MICROPY_VFSmake BOARDPCA10040 MICROPY_VFS_FAT1啟用 FATFS 后ports/nrf/Makefile 會額外編譯lib/oofatfs/ff.c與lib/oofatfs/ffunicode.c并配合 ports/nrf/fatfs_port.c 提供磁盤 I/O。啟用 littlefsLFS1/LFS2若要使用 littlefs 作為片內(nèi)閃存文件系統(tǒng)可設置MICROPY_VFS_LFS1或MICROPY_VFS_LFS2同樣需要配合在mpconfigport.h或mpconfigboard.h中設置MICROPY_VFSmake BOARDPCA10056 MICROPY_VFS_LFS21從板卡配置看PCA10040 與 PCA10056 的mpconfigboard.mk中均已默認MICROPY_VFS_LFS2 1而mpconfigport.h中MICROPY_VFS默認按功能等級開啟CORE_FEATMICROPY_MBFSmicro:bit 文件系統(tǒng)則在未啟用 VFS 時自動啟用。調整文件系統(tǒng)大小FS_SIZE文件系統(tǒng)在片內(nèi)閃存中的大小由鏈接腳本參數(shù)_fs_size控制默認值為64K見 ports/nrf/boards/memory.ld 第 12 行。可以通過 makefile 的FS_SIZE動態(tài)覆蓋make BOARDPCA10056 MICROPY_VFS_LFS21 FS_SIZE256KFS_SIZE的值會原樣傳給鏈接器-Wl,--defsym_fs_size$(FS_SIZE)因此必須使用鏈接腳本語法如256K。該值參與計算 Flash 布局_app_size _flash_size - _head_size - romfs - _fs_size - _bootloader_tail_size文件系統(tǒng)區(qū)域從_fs_start延伸到_fs_end。風險提示改變FS_SIZE會導致文件系統(tǒng)起始位置變化下次啟動時固件會因位置變化而重新格式化文件系統(tǒng)可能丟失上一次固件中已有的文件。七、不同燒錄工具Flash Util的部署方式除默認的 SeggerJLink nrfjprog外移植版支持多種燒錄后端見 ports/nrf/Makefile 中FLASHER ? jlink及各個分支。README 對應給出了各工具的安裝與使用說明IDAP-M/IDAP-Link 目標IBK_BLYST_NANO 等下載安裝 IDAPnRFProgLinux/OSX/Windows 版本該工具通過 CMSIS-DAP 調試器燒錄。Makefile 中對應FLASHERidap命令為IDAPnRFPRog hex。Segger 目標PCA10040、PCA10056 等安裝 JLink 與 nrfjprog。Linux 下可能需要將 SEGGER 的libjlinkarm.so鏈接到 nrfjprog 的目錄中。這是 nRF 移植版的默認燒錄方式。PyOCD/OpenOCD 目標MICROBIT、ARDUINO_PRIMO 等sudo apt-get install openocd sudo pip install pyOCDMakefile 中對應FLASHERpyocd使用pyocd-flashtool與FLASHERopenocd使用openocd CMSIS-DAP 接口配置nRF51/nRF52 均使用target/nrf52.cfg。Black Magic Probe 目標PARTICLE_XENON僅需arm-none-eabi-gdb。make deploy會通過 GDB 加載并運行新固件對應FLASHERbmp使用target extended-remote連接 BMP 端口默認/dev/ttyACM0。nRFUtil 目標PCA10059、NRF52840_MDK_USB_DONGLE首先安裝 Nordic 的nrfutilCLI然后安裝 SDK 子包以獲取pkg與dfu命令nrfutil install nrf5sdk-tools再安裝 Python 依賴sudo pip install intelhexintelhex提供hexmerge.py工具Makefile 使用它對 SoftDevice 鏡像做 MBR 裁剪--range0x1000:跳過 MBR 保護區(qū)。使用nrfutil作為燒錄后端時除deploy目標外還必須指定串口參數(shù)make BOARDNRF52840_MDK_USB_DONGLE NRFUTIL_PORT/dev/ttyACM0 deploy若設備連接在默認串口/dev/ttyACM0則NRFUTIL_PORT可以省略Makefile 默認值。啟用 BLE 時與其他燒錄工具一樣首次固件更新需要先燒錄 SoftDevice使用sd目標而非deploymake BOARDNRF52840_MDK_USB_DONGLE SDs140 NRFUTIL_PORT/dev/ttyACM0 sdnrfutil 的sd流程會生成兩個 DFU 包stripped_sd.zip裁剪 MBR 后的 SoftDevice與xxx_dfu.zip應用然后依次通過 USB 串口 DFU 推送。注意nRF52840 MDK USB Dongle 的 SoftDevice 請求標識為0xB6見 Makefile 中ifeq ($(SD), s140) NRFUTIL_SD_REQ 0xB6。八、Bluetooth LE REPL通過 BLE 使用交互式解釋器該移植版實現(xiàn)了BLE REPL 驅動。此功能默認關閉因為啟用后會停用 UART REPLnRF 部分器件只有一個 UART使用 BLE REPL 可以把 UART 釋放出來當作普通外設使用。啟用方式編輯 ports/nrf/bluetooth_conf.h將MICROPY_PY_BLE_NUS設為 1即 Nordic UART Service 的 REPL 通道。這與mpconfigport.h中MICROPY_HW_ENABLE_UART_REPL的默認邏輯呼應當MICROPY_PY_BLE_NUS或MICROPY_HW_USB_CDC啟用時UART REPL 自動關閉。啟用后可選擇的測試工具NUS Console for Linux推薦命令行下連接 BLE NUS 服務WebBluetooth REPL實驗性瀏覽器內(nèi)連接。此外手機/平板可安裝 nRF UART 應用連接。WebBluetooth 模式還可以進一步配置在bluetooth_conf.h中設置BLUETOOTH_WEBBLUETOOTH_REPL為 1。此時設備會在Eddystone URL 廣播與普通可連接廣播之間交替Eddystone URL 引導手機或電腦瀏覽器打開 WebBluetooth REPL 頁面隨后即可通過瀏覽器連接 BLE REPL。注意bluetooth_conf.h中 s110/s132/s140 三種協(xié)議棧的BLUETOOTH_WEBBLUETOOTH_REPL默認值均為 0需要手動開啟。九、nRF52840 板卡的引腳編號規(guī)則對于 nRF52840 系列板卡軟件引腳編號與物理引腳存在固定映射軟件 Pin 0–31 對應物理引腳 0.xP0.00–P0.31軟件 Pin 32–47 對應物理引腳 1.xP1.00–P1.15。例如在 PCA10059 上Pin(47)對應物理引腳1.15。這一規(guī)則的落地體現(xiàn)在板卡引腳生成機制中Makefile 通過 boards/make-pins.py 讀取板卡的pins.csv、芯片的nrf52_af.csv及nrf52_prefix.c生成build/pins_gen.c與build/pins.h見 ports/nrf/Makefile 中MAKE_PINS/BOARD_PINS/AF_FILE/PREFIX_FILE定義。以 PCA10056 的 mpconfigboard.h 為例LED1–LED4 分別映射到引腳 13/14/15/16SPI0 的 SCK/MOSI/MISO 為 47/45/46UART1 的 RX/TX/CTS/RTS 為 8/6/7/5且啟用硬件流控MICROPY_HW_UART1_HWFC (1)這些數(shù)字均遵循上述軟件引腳編號規(guī)則。十、構建產(chǎn)物與固件目標ports/nrf/Makefile 定義了兩個主要產(chǎn)物目標binary生成firmware.binobjcopy -O binaryhex生成firmware.hexobjcopy -O ihex這是deploy/sd燒錄使用的格式。nRF91 平臺的all目標還會額外構建secureboot因為 nRF9160 使用帶 TrustZone 的 Cortex-M33需要安全啟動鏡像對應 drivers/secureboot/secureboot.mk。同時ports/nrf/mpconfigport.h 顯示 nRF9160 未啟用MICROPY_PY_MACHINE_MEM_BACKUP因為其POWER-GPREGRET為數(shù)組且涉及安全/非安全外設劃分這也再次體現(xiàn)了不同芯片在移植版中的差異化處理。結語通過本文可以完成 nRF 移植版的完整開發(fā)閉環(huán)根據(jù)硬件選型nRF51/nRF52/nRF9160選擇合適的BOARD與SD協(xié)議棧參數(shù)執(zhí)行make submodules make make deploy或sd構建燒錄需要文件系統(tǒng)時按需開啟MICROPY_VFS_FAT/MICROPY_VFS_LFS2并用FS_SIZE調整分區(qū)大小想通過藍牙調試時啟用MICROPY_PY_BLE_NUS的 BLE REPL。深入閱讀 ports/nrf/Makefile、ports/nrf/mpconfigport.h 與 ports/nrf/bluetooth_conf.h 等源碼文件可以進一步掌握每個構建開關背后的底層實現(xiàn)為定制自己的 nRF 板卡固件打下基礎?！久赓M下載鏈接】micropythonMicroPython - a lean and efficient Python implementation for microcontrollers and constrained systems項目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/mi/micropython創(chuàng)作聲明：本文部分內(nèi)容由AI輔助生成（AIGC），僅供參考