MicroPython 内核开发

由于本教程内容主要聚焦于应用 MicroPython 编写传感器模块驱动程序和简单程序开发以及如何使用树莓派 Pico 入门 MCU 编程，因此对本节内容仅作简单概述。

首先，我们需要了解基本名词：

• 源码：就是 MicroPython 本身的程序代码（用 C 语言和 Python 写的），我们要先拿到这些代码，才能后续研究和修改；
• 构建环境：你电脑上需要安装的“工具套装”，用来把源码“翻译成”硬件能直接运行的程序（也就是“固件”）；
• 编译器：把你写的 Python 代码，转换成一种“中间代码”（字节码）的工具，硬件上的 MicroPython 解释器能直接读懂字节码；
• 内存管理：MicroPython 在硬件上运行时，如何“管理内存空间”（比如存储变量、程序数据），避免内存浪费或溢出；
• C 扩展：用 C 语言给 MicroPython 新增功能（因为 C 语言运行快、更贴近硬件），比如新增一个控制特定传感器的功能模块；
• 移植：把 MicroPython“适配”到新的硬件上（比如一款新的单片机），让这款硬件也能运行 MicroPython。

关于 MicroPython 内核开发具体内容可以参考：https://docs.micropython.org/en/latest/develop/index.html。

MicroPython Internals 这章是为想从入门到能动手贡献代码的开发者准备的实操型教程。它从最基础的源码获取、构建环境搭建讲起，逐步带你理解编译器如何把 Python 代码变成字节码、运行时如何管理对象和内存，以及如何用 C 写扩展模块或把 MicroPython 移植到新的硬件平台。

主要包括以下内容：

• 入门（Getting Started）：
• 使用 git 获取源码（git 是管理代码的工具，就像“代码版百度云”，能方便获取和更新源码）；
• 列出依赖项与构建工具；如何构建 cross-compiler（mpy-cross）（mpy-cross，跨编译器，能在你的电脑上为其他设备比如单片机生成可运行的代码）以及在不同目标的端口（Unix、Windows、STM32，不同“端口”就是不同的适配平台）上编译固件。
• 还包括如何生成文档、运行测试套件（验证修改后的代码是否正常工作）、额外的 make 目标（make 是自动化构建工具，“目标”就是要完成的具体任务）、以及本地使用 CI 脚本（ci.sh，自动检查代码是否符合规范的脚本）。
• 提供工程目录/文件结构（告诉你源码文件夹里每个文件、文件夹的作用）说明和如何编写测试的指南。
• 编译器（The Compiler）：
• 涵盖从词法（token，把 Python 代码拆成最小的“语法单位”，比如关键词、变量名）、语法（grammar，Python 代码的书写规则）到解析（parsing，检查代码是否符合语法规则，生成语法树）以及编译流程的各个阶段。
• 说明编译器的多轮传递（first/second/third/fourth passes，编译器处理代码的多步流程，逐步优化并生成字节码）、如何发出字节码（生成中间代码）与可选的本地代码生成（直接生成硬件能运行的机器码，运行更快）；
• 也讲如何新增语法规则或词法 token（便于扩展 Python 语法或实现新的语言特性，比如给 Python 加一个新的关键词）。
• 内存管理与对象模型（Memory Management）：
• 说明 MicroPython 的对象模型（MicroPython 里的一切比如变量、列表、函数，本质都是“对象”，这里讲这些对象的底层结构）、对象的分配策略与内存分配细节（如何给对象分配内存空间）；
• 介绍字符串驻留（string interning / QSTR）机制：一种优化内存的方式，把常用的字符串“缓存”起来，避免重复存储，既有编译时生成也有运行时生成的方式；
• 还讨论映射/字典的实现细节（开放寻址、线性探测等，字典是 Python 里的键值对结构，这里讲 MicroPython 如何高效实现字典）。
• 模块与 C 扩展（Implementing a Module / C API）：
• 如何实现核心模块（core module，MicroPython 自带的基础模块比如 math）以及一般模块的步骤。
• 公共 C API 的使用方法（C 语言的接口，供你用 C 语言写代码扩展 MicroPython）、如何在 C 中扩展 MicroPython、外部 C 模块的结构与示例。
• 讨论把 native machine code （本地机器码，硬件能直接运行的代码）放进 .mpy 文件的机制、支持的特性与限制；包括如何定义、编译和在 MicroPython 中调用 native/c 模块；
• 涵盖在构建模块时使用 Picolibc 的方法与更多示例（Picolibc 是一款适合嵌入式设备的轻量级 C 语言库）。
• 优化与特殊功能：
• 冻结字节码（frozen bytecode）等优化手段：把常用的 Python 模块直接打包进固件，不用每次运行都重新加载，减少内存占用并加速启动；
• 代码或运行时的其它优化策略也会在这一部分覆盖。
• 移植（Porting MicroPython）：
• 从最小可运行的固件开始，说明如何针对新平台构建 MicroPython port（适配新硬件的过程，包含 stdin/stdout 的支持等，stdin/stdout 就是标准输入输出，比如通过串口接收和发送数据）；
• 提供配置说明、构建与运行步骤，以及如何把模块加入到目标端口中（让新硬件能使用新增的功能模块）