作者: 程飞

第一章 归零然后开始

图1 Python的TIOBE指数

Python确实是一门神奇的计算机语言，从TIOBE编程语言指数上看，Python近年来上涨的非常快，已经稳居第三名，指数超过第四名——曾经无比神奇的C++4%之多。前两名是Java和C语言，一个是几乎所有安卓手机都在用的Java语言，另一个是几乎所有嵌入式系统和操作系统都在用的C语言。

Python可能是对于非计算机专业的学生、学者和爱好者非常友好的计算机语言了，上手难度在编程语言中是非常低的，而能够实现的功能和算法却非常专业和高效。Python就像是一辆调教良好的自动挡汽车，好开又省油。这并不是说计算机专业的学生就不要学Python了，恰恰相反，试问有多少人考了C1驾照还开手动挡汽车的？

那到底Python能做一些什么呢？这个问题应该反过来问：Python不能做什么呢？好像不能做的事情很少。就连安卓程序也都可以使用Python开发，只是不那么成熟。目前，Python被大量的用在了人工智能、科学计算、金融量化交易、云计算、网络编程、系统运维等重要领域。尤其是人工智能领域，几乎完全就是Python的天下。

为什么Python会这么火爆？按照我的理解，Python语法简洁明快并且丰富、不需要考虑内存管理、丰富的模块库、以及可以和C/C++无缝连接，成就了Python今天的流行。从语法角度看，Python非常贴近自然语言，没有C/C++那些奇怪的符号，没有严格定义的变量类型，非常自由灵活。在变量类型方面，又有着list（列表，类似于C的链表）和dict（字典，类似于hash表）这种神一般存在的类型，让编程变得无比舒服；而内存管理方面，Python并不需要编程人员考虑太多，也不需要通过指针直接操作内存，因为有list和dict两个类型，完全不需要C语言的指针了，对于编程人员来说绝对是一大幸事；而丰富的模块库，简直就是“拿来主义者”的天堂，Python打包好的模块叫做Wheel，扩展名是whl，寓意非常明确，不要发明两遍轮子，已经有的，就直接拿来用，Python强大的功能，几乎都是通过模块库来实现的，例如科学运算中必备的Numpy和Scipy，人工智能领域常用的Tensorflow；而这些模块库，可以通过Python编写，也可以通过C/C++编写，这一点可以保证效率，用Python编写可以保证开发效率，而用C/C++编写可以保证运行效率。所以Python也称作胶水语言，它可以利用现有的各种优秀的模块库，粘贴出一个非常优秀的程序。

如果你有幸没有学过任何编程语言，上面那段话可能让你感觉不知所措。但是幸运的是，你没有学过其他语言，所以你上手的学Python的速度可能更快。你只需要知道的是，Python可以很快的编写，也可以很快的执行，几乎无所不能，这就足够了。而不幸学过其他语言的同学，如果学的是类C语言，包括C、C++、Java这些，就要走出舒适圈，去适应新的语法了。

下面我们真正的开始学习Python了！

最一开始，我们需要让你的电脑可以运行Python代码以及可以写Python的程序。很多书把这一步描述的特别简单，粉饰太平，把问题留到后面，我认为是不对的。这一步可能是你学习Python的途中最难理解，最复杂，也是最讨厌的一步，没关系，一旦明白了一切就都明朗了。所以在这一步我们要有点儿耐心。

想运行Python的代码，就需要Python的运行环境，而一个运行环境包括一个Python解释器（通常在Win系统是python.exe文件，Linux和Mac系统是一个带有可执行属性的python文件），以及围绕在这个解释器周围的模块库。但是搭建运行环境的方式非常多样化，简单的说，主要分为两种方式：使用系统级的运行环境和使用虚拟环境两种。对于Win和Mac用户来说，我们从https://www.python.org下载好对应你操作系统版本的Python（推荐安装最新的稳定版，目前是3.7）的安装包后，如果你有管理员权限，双击后就可以安装了，所有都采用默认的设置（请记住安装的位置，这个很重要），完成之后，你就拥有了一个系统级的Python运行环境。看起来很简单，但是我们要确保安装正确了才能进行下一步：Win10系统按windows键后，输入cmd按回车键，打开命令行的黑框框，输入python然后回车，如果现实的是没有该程序，则需要添加环境变量(本章最后附加了操作方法)；Mac系统从Lunchpad（四指一捏）找到终端（英文系统为Terminal）打开命令行的白框框，输入python3然后回车，就可以打开Python的Shell界面：

图2 Python Shell界面 (我的Terminal改成了黑框框)

如果看到的是上面的景象，版本是Python 3.7.x，那基本上就对了。为了更好的使用Python，我们还需要确保pip工具安装正确，pip工具是用来给python安装周围的模块库的，仅需要非常简单的语句，就能从网络上直接帮你下载并安装好那些有用的模块，例如Numpy（Python + Numpy ~ Matlab）。目前新的Python安装包已经自带了pip工具，我们直接来尝试：依然是在命令行里输入exit()并回车，先退出Python的命令行模式（等会儿再说这个模式），在Win系统的cmd下输入pip -V并回车, 再输入 where python并回车来分别看到pip的路径和python的路径; 在Mac系统的Terminal中输入pip3 -V并回车，然后输入which python3并回车，查看pip3和python3的路径：

图3 结果表明pip3和python3是对应的，因为路径是一致的

我们需要确认python和相应的pip是对应的，因为你的系统里可能会有很多版本的python和pip，如果使用了不对应的pip工具，则会出现明明安装了某个模块，但是python里却不能用，这是新手常见的烦恼之一。到这里，其实我们已经确保了我们的系统级的Python运行环境是可用的了。而另外一种虚拟环境的搭建方法，也有很多种，甚至是通过不同的工具进行建立，我们将在后面通过IDE软件来实现。

一般的教程，到这里就迫不及待的教大家开始写程序了，但我们还需要等等。在上面图2中，我们通过命令行启动了Python的Shell界面，在这个界面下，就已经可以写Python的代码，回车就可以执行:

图4 猝不及防的Hello World

难道我们就这样写Python程序吗？当然不可能，这个Shell界面通常用来测试一些简单的代码，或者用来做一些简单的科学运算。更通常的做法是，我们把一段Python的程序写在一个扩展名为py的纯文本文件（就是使用Win系统的记事本就能直接打开的文件），然后去运行这个文件，这样就能运行一个完整的程序了。而能够运行这个文件的程序就是Python解释器，也就是前面提到的那个在Win系统下是python.exe在Mac和Linux下是python或者python3的可执行程序。操作方法十分简单：python your_python_code.py。然后就能在屏幕上看到执行的结果了。

下面的问题就是如何编写这个py文件了。既然记事本都能打开，当然可以用记事本来写Python程序，但是除非你是一等一的高手，否则不要这么做。我们需要借助IDE（Integrated Development Environment）工具，IDE是程序员的超级管家，帮你管理文件、管理版本、纠错调试、以及运行程序。事实上Python官方自带了一个叫IDLE的IDE，从名字就能看出来是一个被闲置不用的的工具，确实不怎么好用，虽然界面很简洁：

图5 Mac下的IDLE因为连菜单栏都分离出去了，感觉和命令行差不多了

当然业界也流行着很多关于VIM和EMACS的神奇传说，他们确实很棒，也能打造成高效的Python IDE，只是学习成本太高了，不值得。下面，我就请出我们的主角：PyCharm，这个名字看起来就很优雅：

图 6 PyCharm 官网截图

PyCharm具有优秀IDE应有的特征：多种语法高亮主题、深色护眼界面主题、完善的语法提示、版本管理等。除此之外，PyCharm还可以直接帮助我们建立Python的虚拟运行环境。推荐大家从PyCharm的官网http://www.jetbrains.com/pycharm/download/ 下载社区版或者专业版，一般来说，大学的学生和老师邮箱可以免费享用专业版。所以我们还是使用专业版，顺便提一句，这家公司的其他软件也都很好用。安装的过程中需要注意下面这个界面最好全部都勾选了：

图6-2 补充的一张Windows安装界面，Mac里似乎没这个问题

其他的选择默认的路径，默认的选项，直到你来到下面这个界面：

图7 PyCharm 欢迎界面

单击 Create New Project：

图8 New Project的创建页面

如果看起来不是图8的样子，就点击中间偏上的Project Interpreter左边的小三角来展开成这样。下面我们来仔细看看这个界面的右侧，Location这一栏是填写工程所在的路径，其中最后一段目录的名称就是工程名称了。然后我们需要重视Project Interpreter，首先PyCharm提供了两个大选项：New Environment 和 Existing Interpreter，我们先看后面一个——Existing Interpreter。当我们点击Interpreter后面的选型列表后，可以看到所有PyCharm记录过的解释器，无论是系统级的还是虚拟运行环境：

图9 选择Existing Interpreter

如果这里没有你所需要的解释器，请点击后面的…按钮：

图10 Add Python Interpreter

在弹出的Add Python Interpreter界面中，我们就可以选择System Interpreter或者前面建立好的虚拟环境了，虚拟环境我们通常使用Virtualenv或者Conda来搭建。下面我们退回到图8来搭建虚拟环境，我们重新选择New Environment，在using选项里，我们先尝试使用Virtualenv搭建一个虚拟环境。如果你选择了Virtualenv，然后右下角出现了一个闪电符号，就意味着你电脑上没有安装Virtualenv的工具，需要打开命令行，使用pip install virtualenv进行按照，如果不行可以参考https://virtualenv.pypa.io/en/latest/installation/。搭建的方法十分简单，我们其实只需要指定一个Base Interpreter就可以了，从下拉菜单选择一个合适的Python版本，可以通过路径来判别是哪一个Python环境，因为以后有可能你为某个解释器安过一些特殊模块，如果没有找到想要的，则通过…按钮直接选择一个python解释器的可执行文件，可以参考前文中在命令行使用where和which的办法先找到，然后在这里选择。虚拟环境的Location一般不建议更改，下面两个勾选框，第一个是从Base Interpreter继承所有的模块库，这个视情况勾选，如果你已经配置好了一些基础库，下次用的时候可以继承过去。第二个选项是让这个解释器可以被所有项目可用，一般不勾选。然后我们就可以单击Create按钮了来创建虚拟环境，并创建工程了。说了这么一大堆，如果顺利的话，可能你只需要点击几下鼠标就过去了，然后我们来到了真正开始工作的地方：

图11 PyCharm的工作界面

我们可以看到工程文件夹下有一个venv文件夹，这就是虚拟环境所在的地方，里面就包含了python解释器以及一堆模块。将虚拟环境目录放在工程目录里的好处很多，你可以直接把工程打包发给你的团队成员，让他们可以不用配置环境就能运行你的程序（当然需要同一种操作系统。而使用虚拟环境可以尽量将项目之间的模块需求进行隔离，随着你后面项目会越做越大，不同的程序甚至对同一个模块的版本有细微的要求，虚拟环境可以有效解决这个问题，在虚拟环境里你不需要担心把事情搞砸了。值得注意的是，这里的虚拟环境和虚拟机不是一个概念，这个Python的虚拟环境要轻量级的多，本质上是将程序运行的环境变量修到一个特定的Python目录，从而实现一个隔离的Python运行环境，让你可以方便的切换版本。通过Conda创建创建虚拟环境的方法和上面也是差不多的，只不过不需要选择是不是继承全局模块库。

我写了这么多，其实当你明白了之后，每次操作都是几秒钟的事情，但是这几秒钟的背后是一个项目顺利开始的根基。所以我希望你一开始把事情都搞得比较明白，然后再着手学习代码。

下面我们尝试一个极为简单的Hello World：在左侧的项目目录上右击，选择 New -> Python File，然后输入一个名字，比如说Hello，然后创建文件。输入一行语句：print(‘something’)，然后在Run菜单里选择 Run… 然后选择Hello：

图12 尝试Hello World

下次运行这个文件的时候，只需要在Run菜单里选择第一个——Run ‘Hello’就行了。当然你也可以根据不同的操作系统记忆快捷键，如果你使用带有Touchbar的Macbook，也可以自己配置Touchbar的快捷操作。

至此，你已经拥有了一个功能强大的Python IDE了，并且你对这里面的运行细节也有了一定的了解，当然，后面随着编程学习的深入，你会逐渐体会更多。

PS: Windows如何设置环境变量：

1. 按Win键，选择左边的齿轮图标——设置；
2. 搜索“环境变量”；
3. 选择“编辑系统环境变量”；
4. 在界面的右下方，选择“环境变量”；
5. 在“系统环境变量”的列表里找到 Path并双击；
6. 添加python和pip的路径。

通常情况下，python的路径是：

C:\Users\xxx.xxx\AppData\Local\Programs\Python\Python37

pip的路径是：

C:\Users\xxx.xxx\AppData\Local\Programs\Python\Python37\Scripts

树莓派 零，Raspberry Pi Zero 无疑是非常给力的一片嵌入式小板子。在刷好系统之后，稍加修改就能支持OTG直插到Windows或者Mac系统上虚拟出一张网卡，然后SSH操作。特别方便。

具体步骤网上很多，主要是三步，修改/boot下的config.txt 文件，在最后加上 dtoverlay=dwc2

然后，修改/boot下的cmdline.txt 在rootwait后面增加 modules-load=dwc2,g_ether，注意每个参数之间空格分开，且都是在同一行

最后在/boot下新建一个ssh的空文件，就行了。

但是，WIN10并不带相应的驱动，会错把树莓派识别成一个串口设备，这显然是不对的，需要驱动成RNDIS设备才行。直接双击那个错误识别的设备，然后更新驱动，从磁盘安装（不会的去搜索一下）。WIN10的驱动文件网上不是很好找，很多CSDN上的帖子都是要积分才能下，我在后面直接贴出来了，点击就能下载：RNDIS驱动程序

一些具体的内容之后在更新吧，这次主要记录关键的信息。

很多人都说STM32F103自带的硬件IIC不好用，其中，问的问题最多的是在 I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT) 这个地方卡住。其实吧，ST这么大的公司，也不至于在IIC这种基础总线上犯这么大的错误。

我使用的实际情况是IIC总线接口是单机热拔插的，我发现如果是冷插入，就是先连接好设备，在上电，就没什么问题，或者是先给从机上电，然后主机重启之后就一定没问题了。这很奇怪，我感觉是遇到了Error，于是就打开了所有的Error中断，最后发现在接口被拔下的时候，或者重新插上，会进入Bus Error  Flag，处理器会认为总线出了问题，当然没办法检测到已经设置为主机。我尝试了清除这些错误标记，但是依然不能用。

这个问题的一个解决办法是：每次主机发送完毕就关闭IIC功能，然后下次发送的时候重新初始化。

首先贴一个初始化的代码（STM32F103XXXX，固件库：V3.5.0）：

void IIC_Configuration()
{
    // Clock Enable
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO | RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_I2C1, ENABLE);
    // Port Setting
    GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_OD;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_7;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    // IIC Setting
    I2C_InitTypeDef I2C_InitStruct;
    I2C_InitStruct.I2C_ClockSpeed = 400000;
    I2C_InitStruct.I2C_Mode = I2C_Mode_I2C;
    I2C_InitStruct.I2C_DutyCycle = I2C_DutyCycle_2;
    I2C_InitStruct.I2C_OwnAddress1 = 0x55;
    I2C_InitStruct.I2C_Ack = I2C_Ack_Enable;
    I2C_InitStruct.I2C_AcknowledgedAddress = I2C_AcknowledgedAddress_7bit;
    I2C_Init(I2C1, &I2C_InitStruct);
    // IIC Enable
    I2C_Cmd(I2C1, ENABLE);
}

发送时，首先要检测总监是否空闲，然后发送一个起始位，然后检查是否已经设置为主机模式，主要是检测总线是否有错误之类的，可以进去仔细跟每一位都有什么，我卡住的时候，跟到的是总线错误以及有未知的未读取的数据，因为我连接的两个从机在上电的时候其中一个也作为主机进行通信。然后发送地址，并检测状态。通过之后就可以发送数据了，然后检测是否发送完毕，最后发送一个结束标记。整个通信就完成了。具体代码如下：

while(I2C_GetFlagStatus(I2C1, I2C_FLAG_BUSY));// Wait IIC Bus Idle
I2C_GenerateSTART(I2C1, ENABLE);// Send Start Flag
while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_MODE_SELECT));// Wait Master Mode Ready
I2C_Send7bitAddress(I2C1, addr, I2C_Direction_Transmitter);// Send Slave Address
while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_TRANSMITTER_MODE_SELECTED));// Wait TX Mode Ready
I2C_SendData(I2C1, 0xAA);// Send One Byte
while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED));// Wait Transmittion
I2C_GenerateSTOP(I2C1, ENABLE);// Send Stop Flag

这段代码可以基本解决发送，大家基本上卡在第三行或者第五行。所以在这段代码的最前面加上：

IIC_Configuration();

作用就是在发送之前再初始化，相应的，在MCU初始化的时候取消IIC的初始化。并且，在最后面加上：

I2C_Cmd(I2C1, DISABLE);

我是这样解决的我遇到的卡住问题的。虽然感觉也不是最根本的解决了问题，因为飞利浦公司的官方文档里写了IIC是支持热拔插的。不过经过很多次测试，这个方法很稳定。

最后说一下卡死这个问题，卡死是一个特别低级和特别要命的问题。一个好的单片机嵌入式程序（应该说是所有程序），遇到任何错误，都不应该卡死。卡死给所有用户的交互体验都是最糟糕的。像很多人习惯使用while循环来判定一个状态标记位，这其实是非常偷懒和不负责任的用法，最多在开发初期使用，之后一定要换成安全可靠的方案。下面提供我使用的一个方式：

首先，在开发初期，为了快速验证，难免会使用while来判定状态，这时候，就直接避免掉，以上文中的 while(!I2C_CheckEvent(I2C1, I2C_EVENT_XXXXXXXXX)); 为例：使用一个u8型的函数，Safe_I2C_CheckEvent(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_FLAG) 来代替。这个函数的写法如下：

uint8_t Safe_I2C_CheckEvent(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_FLAG) 
{
    while(!I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_FLAG))
    {
        //Complete Later #1
    }
    return 0; //Completed Flag
}

然后把原来程序里的while写法全部替换掉，虽然这时候的执行效果是一致的。在解决完基础问题之后，重新写 #1 部分。在内部加入超时判定，同时也可以做一些需要高速做的事情。如果判定为超时，则 return 1。这时候，我们会发现一个小问题，就是程序里并没有支持对于return 1之后的退出处理，反而return 1之后程序会继续运行，造成故障。

这时候，我推荐使用#define大法。#define是一个被诟病很多，但其实用好了非常神奇的预处理语句。我们把Safe_I2C_CheckEvent这个函数的名字改成 Safe_I2C_CheckEvent_Function，反正名字再长也无所谓嘛。然后写下如下代码：

#define Safe_I2C_CheckEvent(x,y) if (Safe_I2C_CheckEvent_Function(x,y)) return 1

这句话的意思就等于是保留了Safe_I2C_CheckEvent这个名字，这样原来程序里的内容都不需要变。并且，带有了可以让发送函数也return 1返回发送失败标记的功能。是不是非常巧妙！

今天就写到这里，希望大家能够解决问题！

将IAR升级到8.22之后，连带着Jlink的应用程序也会跟着升级到6.30，这个版本不支持在某宝上购买的OB的Jlink驱动，会弹出“The connected J-Link is defective”错误，还会引发整个IAR的崩溃。搜索IAR和上面问题的关键字，目前还找不到解决方案，但是很多人在Keil下解决了。虽然解决了，但是事实上对问题的理解是不太对的。

首先，问题的产生并不是因为驱动，而是Jlink的应用程序问题，Jlink驱动只是用来操作Jlink硬件底层的，在上面还有一个应用程序，而IAR事实上就是调用这个应用程序来下载程序。

所以，更新驱动是没用的。要找到Jlink的应用程序所在之处，由于本机上有7.5版本，因此我就在7.5版本的C:\Program Files (x86)\IAR Systems\Embedded Workbench 7.5\arm\bin文件夹下，发现了几个和Jlink有关的文件：

然后复制到8.0文件夹下的同样位置，然后再打开8.22，事情就这么解决了。

没有老版本的同学，可以点击免费下载： 覆盖文件

就是这样了！

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