Bạn đã biết lập trình nhúng với Python?

1. Giới thiệu về lập trình nhúng và Python

Lập trình nhúng là thuật ngữ thường dùng để chỉ việc lập trình trên một thiết bị hoặc hệ thống nhúng sẽ được tích hợp trong một môi trường hoặc hệ thống lớn hơn, được gọi là môi trường/hệ thống mẹ. Các thiết bị nhúng được tạo ra nhằm giải quyết các bài toán chuyên dụng hoặc thực hiện một chức năng riêng biệt nào đó, và thường yêu cầu đáp ứng theo thời gian thực (real time). Ví dụ trong một chiếc điện thoại di động mỗi chức năng như: nghe nhạc, wifi hay máy ảnh đều được một thiết bị nhúng đảm nhiệm. Phần cứng của một thiết bị nhúng thường bao gồm các thành phần chính sau: (1) ROM là nơi chứa chương trình và dữ liệu cố định; (2) RAM là nơi chứa chương trình thực thi và các dữ liệu tạm thời; (3) MCU là bộ xử lý trung tâm; (4) Các khối truyền thông: UART, USB,...và các khối ngoại vi như, ADC, PWM,...

Python là ngôn ngữ lập trình phổ biến nhất hiện nay. Theo thống kê của IEEE Spectrum đến hết tháng 8 năm 2023, Python đứng đầu trong bảng xếp hạng chung của các ngôn ngữ lập trình, đứng đầu bảng xếp hạng xu hướng và đứng thứ 2 trong bảng xếp hạng về công việc theo ngôn ngữ lập trình. 

Python có cú pháp rõ ràng và rất dễ đọc, dễ hiểu, điều này làm cho nó trở thành ngôn ngữ lập trình hoàn hảo cho người mới bắt đầu. Python được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực từ học máy đến lập trình web và đang dần chứng tỏ sự hiệu quả trong lập trình nhúng.

2. Tại sao nên dùng Python trong lập trình nhúng?

Như đã trình bày ở phần trên, lập trình nhúng Python chính là việc sử dụng ngôn ngữ lập trình Python để xây dựng phần mềm trên các thiết bị nhúng. Trên thực tế, Python đang là ngôn ngữ bậc cao có tốc độ phát triển người dùng nhanh nhất cho lập trình nhúng. Các điểm ưu việt mà ICANTECH thống kê dưới đây sẽ trả lời cho câu hỏi tại sao nên dùng Python cho lập trình nhúng:

• Python có thể sử dụng trên nhiều nền tảng phần cứng nhúng khác nhau, từ các bộ vi điều khiển đến các máy tính công nghiệp gọn nhỏ. Điều này sẽ giúp cho người dùng có nhiều sự lựa chọn hơn về phần cứng khi triển khai công việc.
• Python cung cấp 2 phiên bản là Micro Python và Circuit Python được tối ưu hóa chuyên dùng cho các thiết bị nhúng. Chúng được thiết kế để chạy trên các thiết bị giới hạn về tài nguyên và bộ nhớ trong khi vẫn chứa đầy đủ các tính năng và thư viện hữu ích của Python. 
• Python cung cấp đầy đủ thư viện giúp người dùng có thể giao tiếp dễ dàng với các cổng In/Out phổ biến trong các thiết bị nhúng như: I2C, SPI, USB,...
• Python cho phép lập trình viên tự do trong việc tạo các tệp lệnh giúp kiểm soát và cải thiện giao diện người dùng.
• Python cung cấp thư viện đa dạng và trực quan để xử lý và phân tích dữ liệu trên các thiết bị nhúng; lưu trữ và hiển thị dữ liệu dạng biểu đồ hay hình ảnh.
• Python đang cho thấy những bước tiến mạnh mẽ trong lập trình nhúng đáp ứng thời gian thực, đặc biệt là phiên bản Micro Python, phiên bản đang được rất nhiều công ty lớn trên thế giới tin dùng. 
• Python có một cộng đồng rộng lớn và năng động trên toàn thế giới. Điều này có nghĩa là bạn sẽ dễ dàng tìm thấy các tài liệu và hướng dẫn từ cộng đồng để phát triển Python trong các thiết bị nhúng.

3. Sử dụng Python cho lập trình nhúng

Hai phần trên đã cung cấp cho các bạn những thông tin cơ bản về lập trình nhúng với Python. Trong phần này, ICANTECH sẽ hướng dẫn các bạn làm sao để sử dụng Python cho lập trình nhúng. 

3.1. Cài đặt môi trường Python

Hiện tại phiên bản mới nhất của Python là 3.12.0 phát hành ngày 02/10/2023 chạy trên các hệ điều hành phổ biến như Windows, Linux, macOS,...Bạn có thể tải miễn phí tại trang chủ Download Python | Python.org 

Để lập trình nhúng với Python hiệu quả, bạn hãy tải Micro Python. Đây là phiên bản tinh gọn của Python 3, được phát hành dành riêng cho lập trình nhúng. Nó bao gồm đầy đủ thư viện chuẩn Python và được tối ưu hóa để chạy trên các bộ vi điều khiển và các môi trường bị hạn chế tài nguyên. Link tải: MicroPython - Python for microcontrollers. 

3.2. Các phương thức lập trình nhúng với Python

Trong lập trình nhúng Python, bạn có thể viết code của mình theo 3 phương thức cơ bản sau:

• Phương thức thứ nhất: Bạn có thể viết một file code Python thông thường (*.py) và gọi nó từ InterSystems IRIS. Trong trường hợp này, Platform dữ liệu sẽ khởi tạo Python và cho phép bạn thêm vào mô đun IRIS. Sau đó, mô đun IRIS sẽ tự tích hợp các tiến trình của Python vào chương trình lõi của IRIS và cung cấp cho bạn quyền truy cập vào tất cả các chức năng của ObjectScript. 
• Phương thức thứ hai: Bạn có thể viết mã ObjectScript thông thường và khởi tạo một Object trong Python bằng cách sử dụng %SYS.Python package. Khi đó bạn sẽ có thể thêm vào các mô đun và thư viện Python, sau đó thực hiện công việc lập trình của mình sử dụng ObjectScript syntax.
• Phương thức thứ ba: Bạn có thể tự tạo định nghĩa về lớp InterSystems và viết các methods trong Python. Khi đó bất kỳ một lệnh gọi methods nào được thực hiện sẽ đều khởi tạo trình biên dịch Python.

3.3. Tương lai của Python trong lập trình nhúng

Trước đây, các ngôn ngữ lập trình bậc thấp như C/C++, chiếm vị trí thống trị trong lập trình nhúng, bởi chúng cho phép kiểm soát và tối ưu hóa tốt các tài nguyên của phần cứng. Các ngôn ngữ lập trình bậc cao như Python bị hạn chế về tốc độ thực thi và khả năng sử dụng bộ nhớ. Do đó, trong các thiết bị nhúng giới hạn về tài nguyên, Python sẽ gặp nhiều khó khăn hơn các ngôn ngữ bậc thấp. Tuy nhiên, Python là ngôn ngữ có rất nhiều điểm ưu việt lại được phát triển và cải tiến liên tục, đặc biệt là khả năng thích ứng với các phần cứng giới hạn về tài nguyên, bộ nhớ trong các phiên bản Micro Python và Circuit Python. Chúng tôi tin rằng tương lai của Python trong lập trình nhúng sẽ là vị trí dẫn đầu. 

4. Lời Kết

Lập trình nhúng đang là một ngành rất hot trong lĩnh vực công nghệ thông tin với doanh thu hàng tỷ đô/năm. Còn Python đang dần khẳng định sự hiệu quả và vị thế của mình trong lập trình nhúng. Hãy đến với ICANTECH, chúng tôi sẽ giúp bạn trở thành một chuyên gia lập trình Python. 

Nguồn ảnh: ICANTECH.