聚豐項目 > 自研Python解釋器
PikaScript是一個完全重寫的超輕量級python引擎，具有完整的解釋器，字節碼和虛擬機架構，可以在少于4KB的RAM下運行，用于小資源嵌入式系統。相比同類產品，如MicroPython，LuaOS等，資源占用減少85%以上。 入選2021年度 Gitee最有價值開源項目，加入RT-Thread嵌入式實時操作系統編程語言類軟件包。 在CH32V103 RISC-V開發板上完成了PikaScript的部署，并為CH32V103提交了PikaSciprt標準BSP和驅動模塊包，并完成了交互式運行的驅動。
lyon1998
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團隊成員
lyon1998 開發者
RT-Thread使用情況概述：
整個方案涉及的技術棧有：RT-Thread線程和定時器， 編譯原理、字節碼設計、虛擬機設計、PikaScript部署技術和驅動模塊開發技術等等。通過這個作品，擴充了PikaScript的BSP支持列表，驗證了PikaScript和rt-thread的兼容性，驗證了PikaScript在小容量(64Kb)RISC-V架構的部署能力和兼容性。
內核部分：使用了線程、定時器 。
軟件包：
PikaScript軟件包
硬件使用了RTT大賽提供的CH32V103開發板，使用了板上的LED資源用于指示腳本運行狀態，為GPIO硬件開發了Python腳本模塊，用于測試腳本驅動拓展功能。
0.摘要
PikaScript是一個完全重寫的超輕量級python引擎，具有完整的解釋器，字節碼和虛擬機架構，可以在少于4KB的RAM下運行，用于小資源嵌入式系統。相比同類產品，如MicroPython，LuaOS等，資源占用減少85%以上。
入選2021年度 Gitee最有價值開源項目，加入RT-Thread嵌入式實時操作系統編程語言類軟件包。
本項目在CH32V103 RISC-V開發板上完成了PikaScript的部署，為CH32V103提交了PikaSciprt標準BSP和驅動模塊包，并完成了交互式運行的驅動。
1.方案選型——CH32V103運行Python腳本，并不好辦
首先我們需要選擇一個能夠在CH32上運行的嵌入式Python解釋器。
能夠在flash為64Kb的RISC-V MCU上部署Python解釋器，需要有極小的編譯體積，還不能依賴于ARM架構的獨享技術。
首先排除通用Python解釋器CPython，不說CPython需要依賴linux，單是體積就可以排除。
其次在嵌入式領域大火的MicroPython技術是有可能選用的備選項，但是MicroPython在ARM平臺需要最少128Kb的體積，而RISC-V平臺的GCC編譯器優化成熟度不如ARM平臺，所以編譯體積只會更大不會更小，所以MicroPython不能在本次的CH32V103平臺部署。
好了，不賣關子了，能夠在CH32V103平臺部署的Python解釋器，只有我目前在開發的PikaScript超輕量級Python解釋器，（如果還有其他方案，請批評指正，我麻溜修改）。雖然相對于MicroPython，PikaScript沒有那么完整的標準庫支持，但基本的運行時對象、控制流、交互式運行都是可以實現的，且PikaScript的跨平臺能力非常好，在極限的依賴管理策略下，PikaScript只依賴LibC，在任何平臺都幾乎沒有依賴缺失問題，或許還能夠運行在FPGA軟核中（理論上可行，未驗證）。
另外感謝Gitee提供的開源平臺，PikaScript剛剛被Gitee評委大佬們選入GVP——最有價值開源項目，所以如果你現在打開Gitee首頁，大概率可以看到PikaScript的金色牌牌。
PikaScript還入選了rt-thread軟件包，rt-thread真的是非常有活力的開源社區
PikaScript嚴苛的依賴管理策略，使得部署非常輕松，這是跨平臺，易部署的特點。但是單純的易部署并沒有什么用，如果難以拓展功能，就只是一個花瓶而已。我們知道在MCU開發領域，一直是C語言的天下，C語言的生態占據MCU開發的80%以上，大部分MCU都有廠家提供的C語言開發套件，因此MCU平臺的Python解釋器，最重要的拓展手段，就是綁定C語言的原生庫，將C語言庫綁定為Python模塊，這通常被稱為Python的C模塊。
為MicroPython綁定C語言模塊與通用的CPython類似，需要將C庫編譯為靜態庫，再進行鏈接，鏈接時需要手動注冊許多全局表，且制作C模塊的過程中需要使用大量linux平臺獨有的工具，這對于以Windows平臺開發為主的MCU工程師來說，門檻很高。
而PikaScript可以在MCU工程師熟悉的Windos平臺完成C模塊的開發，通過自研的模塊預編譯器，能夠自動完成模塊的注冊工作，C模塊的開發者需要提供的僅僅是一個用Python寫成的模塊的調用API而已，預編譯器會自動將這個Python文件預編譯為C文件，完成模塊的鏈接和注冊。而只要使用正確的命名，原生的C的函數就能夠被自動注冊進模塊中，供解釋器調用，也不需要編譯靜態庫。
讓PikaScript在CH32V103跑起來，意思也就是開發一個能在CH32V103運行的PikaScript固件。
我們先看一下一個PikaScript固件有哪些部分。
在圖中標注黃色的部分是我們需要制作的，而綠色部分是跨平臺的，我們只需要拉取源碼進行編譯即可，不需要修改。
從下往上看，首先是需要一份PikaScript的BSP，BSP也就是板級支持包，這通常只要將廠商提供的MCU的標準庫稍加整理即可獲得。然后是PikaScript的啟動器，這包含了固件入口main.c，以及基本的設備初始化代碼，包括對printf的支持。
有了BSP和啟動器，就已經可以運行PikaScript的固件了，只不過還只能使用PikaScript提供的標準庫功能和Python的基本語法，還不能使用MCU上搭載的外設資源。
為了使用CH32V103的外設資源，我們還需要開發CH32V103的驅動模塊，在這個項目中，我們開發了GPIO的驅動模塊和基于rt-thread tick定時器的延時模塊。
最上層的就是我們要運行的Python腳本了，模塊預編譯器也可以處理Python腳本，根據腳本中導入的模塊來自動裁剪固件，在腳本中沒有import的固件會被自動裁剪掉，我們可以在main.py中選擇要加入固件的模塊，以及編寫系統初始化后最先運行的Python腳本，將其燒錄進固件中。
2.制作BSP和啟動器——先跑起來再說
BSP通常是用芯片的原廠提供的例程制作的，在這個項目中，我們就使用CH32V103的官方例程中的uart_printf和MounRiver River Studio生成的rt-thread模板來制作。完成了對rt-thread模板的一些剪裁之后，再加入printf的初始化函數，對項目稍作整理，BSP部分就完成了。
PikaScript的啟動器的制作也比較簡單，在main.c中添加#include “pikaScript.h”并調用pikaScriptInit()函數即可啟動PikaScript。pikaScript.h和pikaScriptInit()都是由預編譯器自動生成的，在制作啟動器之前，需要拉取PikaScript的源碼。
PikaScript官方(其實就是我自己)提供了一個包管理工具，只需要編寫requestment.txt，就可以從gitee中自動拉取相應版本的源碼和模塊。在拉取內核源碼時，預編譯器也會自動被拉取下來，我們在main.py中寫入import PikaStdLib，然后用我們使用拉取下來的預編譯器進行預編譯，就能得到pikaScriptInit()函數了。
包管理工具不僅可以拉取內核，還可以拉取模塊，也就是說我們自己制作的CH32V103的驅動模塊，也可以掛到PikaScript模塊庫中，進行自動拉取。
BSP和啟動器的制作我錄制了一個視頻教程，想要了解細節或者想自己制作BSP的大佬可以看視頻了解。
https://www.bilibili.com/video/BV1Cq4y1G7Tj
3.制作CH32V103的驅動模塊
接下來我們制作CH32V103的驅動模塊，使得CH32V103上面的外設資源能夠被Python腳本調用到。
在這個項目中，我們制作了一個PikaScript的標準設備驅動，什么是標準設備驅動呢？我們先從其他的腳本技術說起，比如MicroPython，并沒有統一的外設調用API，這使得用戶在使用不同的平臺時，都需要重新學習API，比如下面這個是MicroPython在STM32F4平臺驅動GPIO的代碼。
這個是ESP8266的
可以明顯看到在選擇pin的管腳時，一個用的是字符串，而另一個用的是整型數，驅動的API標準很混亂。
有沒有什么辦法，能夠統一外設的API，使得用戶只需要熟悉一套API，就能夠在任意平臺通用呢？
方法是有的，就是PikaStdDevice標準設備驅動模塊！
PikaStdDevice是一個抽象的設備驅動模塊，定義了所有的用戶API，而各個平臺的驅動模塊只要從PikaStdDevice繼承，就能夠獲得一模一樣的用戶API，而PikaStdDevice內部會間接調用平臺驅動，通過多態特性重寫底層的平臺驅動，就可以在不同的平臺工作了！
以GPIO模塊為例，以下是PikaStdDevice定義的用戶API
以下是PikaStdDevice需要重寫的平臺驅動
而我們要制作的CH32V103的GPIO模塊，就從標準驅動模塊中繼承。
通過這個方法，我們就可以讓STM32的驅動模塊、CH32的驅動模塊、ESP32的驅動模塊有著一模一樣的用戶API！用戶只要熟悉了一套API，就可以輕松使用支持了PikaScript標準驅動模塊的所有平臺！這才是真正的跨平臺！
下面是部分被注冊在驅動模塊里面C原生驅動函數
驅動模塊的開發，我也制作了兩個視頻，供想要了解細節的大佬們參考。
https://www.bilibili.com/video/BV1aP4y1L7pi
https://www.bilibili.com/video/BV1Jr4y117Z8
4.支持交互式運行
PikaScript不依賴文件系統，只要傳入字符串就可以運行，所以只要制作支持字符串讀取的串口驅動，就可以支持交互式運行了！
下面是本項目中支持交互式運行的驅動代碼。
5.main.py初始化腳本
最后我們編寫一段用Python寫成的初始化腳本，在固件啟動后運行，初始化GPIO，并且獲得一個系統對象，用于提供延時功能。在初始化結束后，led閃爍10次，并打印hello pikascript！
編寫好初始化腳本后，用預編譯器就可以集成在固件中了。
下面是預編譯器生成的初始化函數
項目地址：
PikaScript-CH32V103參賽項目倉庫：
https://gitee.com/lyon1998/ch32v103-pika
PikaScript總倉庫：
在演示視頻中，演示了PikaScript的啟動和交互式運行，包括：
1.測試了PikaScript的Python腳本交互式運行功能。
2.使用led對象的high()方法和low()方法，控制IO的電平，進而控制LED燈。
3.測試了PikaScript解釋器對Python變量的動態創建的支持。
4.測試了PikaScript對Python標準庫函數print的支持，包括打印整型數和字符串數。
5.測試了PikaScript解釋器對運算符以及組合運算的支持。
6.測試了PikaScript解釋器對條件運算符的支持和對控制流的支持。
7.測試了PikaScript對多行Python腳本交互式運行的支持。
8.測試了sys對象的delay()系統方法，該方法基于rt-thread延時函數，驗證了與rt-thread操作系統的兼容性。
9.循環打印1-1000整型數，測試了腳本的運行速度。
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