单片机上的MicroPython之交互式解释器(REPL)

一般来讲，带有脚本性质的语言大都有交互式解释器，即REPL(Read-Evaluate-Print Loop)模式。REPL提供了一个命令行界面下读取值、求值、输出值、循环代码的环境。其与常规Linux环境下shell命令行交互模式有相似之处，但并不相同。shell模式下运行的是一个个的命令，命令的底层再调用系统或库函数从而实现所指定功能，而REPL则直接运行的就是一个个的系统或库函数，这些函数无论在此处运行还是在单独的程序文件中运行，形式和结果上均能够保持一致。从某个角度来说，将shell理解为REPL的实例也有一定道理。

REPL对于学习一门新的编程语言有很大帮助，它能够对初学者写的程序立刻作出回应，这意味着你执行代码，并能马上查看结果，而无需经过先编译再上传的繁琐步骤。本文以ESP32平台为例，介绍如何使用MicroPython中的REPL。

可以通过两种方式启动连接REPL：(1) 通过UART串口建立有线连接；(2) 通过WiFi建立无线连接。

基于串口启动REPL

一般情况下，基于UART0串口外设运行REPL均是可行的，该UART0串口外设一般使用GPIO1作为数据发送引脚，GPIO3作为数据接收引脚，默认波特率为115200，数据位8，停止位1，无校验，无流控。如果你使用的开发板上已经集成了USB换串口芯片，则可以通过其直接在PC上连接启动REPL，否则，需要另想办法首先连接上开发板的UART串口。

为了连接启动REPL的命令行界面，你需要首先准备好一款虚拟终端软件。一般来讲，TeraTerm，Putty，SecurtCRT等均可以，选择一款你所熟悉的，配置好波特率等参数，打开串口即可。

一旦建立起串口的物理连接，可以通过按回车键来测试其是否已经正常启动工作。如果一切正常，你将会看到>>>符号，这表明REPL已经启动运行了。

基于WiFi启动REPL

WebREPL允许你在与开发板建立WiFi网络连接后，通过浏览器使用MicroPython的REPL。最新版本的Firefox和Chrome浏览器均能够支持该种模式。

为方便使用，可以直接访问:http://micropython.org/webrepl 网址作为WebREPL的客户端，也可以将对应网页下载到本地使用，下载地址为: https://github.com/micropython/webrepl 。

在连接WebREPL之前，需要先通过上一节中所述方法，在通过串口连接的REPL环境中配置上WebREPL的连接密码。在早期带有WebREPL功能的MicroPython版本中，WebREPL在启动时便自动使能，并且允许在第一次连上WiFi后直接设置WebREPL密码。但随着WebREPL的流行，其被越来越多人所知，考虑到安全原因，该初始化密码的动作改换为必须通过串口有线连接本地进行了，具体命令如下：

import webrepl_setup

输入该命令后跟随屏幕上的指示一步步进行即可，重启设备后设置生效。当然，若使用WebREPL，首先你需要使得设备和PC在同一个网络中：可以设置设备工作于Station模式，PC和设备连接同一个路由器的WiFi热点，也可以设置设备工作于AccessPoint模式，PC连接上设备分享出来的WiFi热点。一旦它们处在同一网络中后，检查PC浏览器WebREPL界面上IP地址是否与对应设备相匹配，然后点击"Connect"按钮，连接成功后即可看到让你输入前边所设置的WebREPL密码。

此时输入正确的密码，敲击回车键应该可以看到提示符>>>。接着，便可以输入常规的Python命令了。

REPL基本使用方法

一旦启动连接了REPL，便可以进行各种试验了。你在交互式解释器窗口中键入的任何命令或代码均会在最后敲击回车键后得到执行。MciroPython会运行你所输入的代码并打印出结果信息(如果结果有信息输出的话)。如果你输入的代码有错误，其也会打印出错误信息。

试着在交互式窗口中键入如下内容：

>>> print('hello world!')
hello world!

注意，你无需键入>>>符号，它们是交互式窗口中提示你应该在其后进行相应输入的符号。本行之后的内容才是设备应该运行的代码。最后，在你输入完成后敲击回车键，屏幕上便会输出如上所示结果。

如果你已经对Python有所了解，可以试着输入如下所示基本命令：

>>> 1 + 2
3
>>> 1 / 2
0.5
>>> 12**34
4922235242952026704037113243122008064

如果你的开发板上的GPIO2引脚上连接着LED，可以试着用下面代码点亮或者熄灭：

>>> import machine
>>> pin = machine.Pin(2, machine.Pin.OUT)
>>> pin.on()
>>> pin.off()

注意，Pin类的on()方法具体是点亮LED还是熄灭LED需由具体开发板电路设计而定。

在代码输入过程中，可以通过左方向键和右方向键移动光标，也可以使用删除键和回退键来综合编辑当前行的代码。另外，还有一些快捷方式可用：Home键和Ctrl+A可以移动光标到行首，End键和 Ctrl-E可以移动光标到行末。并且，REPL还可以记住一定数量的历史输入，可以使用向上或者向下方向键切换历史输入命令或代码。

Tab键自动补全

在输入程序代码时，Tab键可以自动补全当前所输入的词语。这对于找出模块或对象内部方法或函数非常有用。你可以尝试键入"ma"，然后敲击Tab键，其会自动补全为"machine"(假设你已经按照上面示例导入了machine模块)。然后输入"."再敲击Tab键，便可以看到该模块所包含的函数列表。

输入续行和自动缩进

某些时候，你可能需要持续输入，或者说换行输入。这时候，REPL环境下会改为以...为前缀，而不再以>>>为前缀，并且光标也会自动缩进适当的空格，以便可以直接输入下一行内容。尝试定义如下的函数:

>>> def toggle(p):
...    p.value(not p.value())
...
...
...
>>>

在上面示例中，需要敲击三次回车键以结束对应语句的输入(表现为上面示例中以...开头的三行)。另一种结束当前语句输入的方式为键入回退键直到光标回到当前行的行首，然后再敲击回车键。(如果你本次输入有误，想退出持续输入模式，可以键入Ctrl+C，则本次所有输入的内容会被忽略掉)。

前面输入的函数允许你翻转某个引脚的电平状态。之前创建的pin对象应该还有效(如果设备复位过后将不再有效，则只需按照上面示例代码再创建一遍即可)，此时便可以使用其来翻转LED的点亮状态：

toggle(pin)

下面，让我们尝试在循环中翻转LED的点亮状态(如果你的开发板上没有LED，可以打印一些什么信息来作为替换，目的是查看循环语句的执行效果):

>>> import time
>>> while True:
...     toggle(pin)
...     time.sleep_ms(500)
...
...
...
>>>

此时，其便会以1Hz的频率翻转LED的点亮状态(半秒点亮，半秒熄灭)。如要停止该循环，只需键入Ctrl+C便会触发一个键盘中断，并且跳出循环的执行。

上述代码中的time模块提供了有关延时和计时的一些有用的函数，读者可以尝试使用Tab键的自动补全功能找出它们，然后做些有趣的试验！

粘贴模式

键入Ctrl+E将使REPL进入粘贴模式，该模式允许你一次性复制粘贴进来大段代码一起执行。此时可以看到如下提示信息：

paste mode; Ctrl-C to cancel, Ctrl-D to finish
===

接着，便可以粘贴进来(也可以手动输入)相应的代码。需要注意的是，在该模式下，特殊功能的按键组合或者命令均不再有效(比如Tab键)。键入Ctrl+D可以结束该粘贴模式并且执行所粘贴的代码。

REPL下其它快捷键命令

• 在空行中键入Ctrl+A将进入原始REPL模式。该模式类似于一种持久粘贴模式，除了所有字符均不会回显，其它均相同。

• 在空行中键入Ctrl+B会恢复REPL到常规模式。
• 键入Ctrl+C可以取消本次任何输入，或者中断当前的运行模式。
• 在空行中键入Ctrl+D可以对设备进行软复位。

注意，Ctrl+A和Ctrl+D在WebREPL中不能生效。

最后，介绍如下ESP32平台上以Station模式启动WiFi连接的代码，读者可以尝试按照本章所述方法连上WiFi，再启动WebREPL试试效果。

import webrepl # 导入webrepl模块

#定义连接WiFi的函数
def do_connect():
    import network
    wlan = network.WLAN(network.STA_IF)
    wlan.active(True)
    if not wlan.isconnected():
        print('connecting to network...')
        #注意将essid和password替换为实际值
        wlan.connect('essid', 'password')
        while not wlan.isconnected():
            pass
    print('network config:', wlan.ifconfig())
    
do_connect()    # 连接WiFi网络
webrepl.start() # 启动webrepl后台进程

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