MicroPython on ESP8266 (一) : 燒錄韌體

好久沒玩 ESP8266 了, 之前有想要在 ESP-01 模組上灌 NodeMCU 都一直沒時間. 最近在努力學習 Python, 今天突發奇想 : 可以在 ESP8266 上跑 Python 嗎? 我在 Google 輸入 "ESP8266 Python" 進行搜尋, 想看看這兩個我最有興趣的一硬一軟詞彙是否交集, 呵呵, 還真的找到了 MicrPython 這個專案, 這是一個包含 Python 3 標準函式庫的精簡子集實作, 為資源受限的嵌入式設備上提供了一個低階的作業系統環境 (Python OS) 以執行 Python 3 解譯器.

MicroPython 是澳洲的 Damien Geoge 在 Kickstarter 上所發起的一個開源專案 :

參考 :

# MicroPython tutorial for ESP8266  (官方教學)
# An Introduction to MicroPython
# ESP8266 and MicroPython - Part 1
# https://learn.adafruit.com/micropython-basics-load-files-and-run-code
# https://learn.adafruit.com/building-and-running-micropython-on-the-esp8266/overview

MicroPython 提供了許多 Python 的高階功能, 例如互動式命令提示介面 (稱為 REPL, Read Evaluate Print Loop), 無限精準度整數, 閉包 (Closure), 串列功能, 以及例外處理等等. 其目標是盡量做到與電腦上完整的CPython 相容, 使得桌上型電腦上的 Python 程式碼可以很容易地移植到微控器等嵌入式設備中執行.  MicroPython 除了實作了 Python 核心函式庫外, 也加入了稱為 machine 的函式庫以存取低階的硬體資源. 參考 MicroPython 的 WiKi 與文件 :

# http://wiki.micropython.org/Home
# http://docs.micropython.org/en/latest/pyboard/
# MicroPython Documentation (v1.8.6 PDF)
# MicroPython tutorial for ESP8266  (官方教學)
# http://docs.micropython.org/en/latest/micropython-esp8266.pdf
# http://docs.micropython.org/en/latest/pyboard/library/usocket.html#class-socket
# http://docs.micropython.org/en/v1.8.7/esp8266/library/usocket.html#module-usocket
# https://gist.github.com/xyb/9a4c8d7fba92e6e3761a (驅動程式)

# Core Python libraries ported to MicroPython (函式庫)
# MicroPython on WeMOS D1 Mini Workshop 

MicroPython 是用 C99 寫的, 與 CPython 之間的差異參考 :

# http://docs.micropython.org/en/latest/pyboard/genrst/index.html

MicroPython 目前可以在 ESP8266 與 Pyboard 等板子上執行, Pyboard 是以 STM32F405RG 微控器為核心的開發板, 處理器架構為 ARM Cortex-M4 32 位元, 具有 1MB 的 FLASH ROM 與 192KB 的 RAM, 內建三軸加速器, 參考官網與 Adafruit 介紹 :

Micro Python pyboard overview

MicroPython Basics: What is MicroPython?

ESP8266 and MicroPython

不過 PyBoard 小小一片不便宜, 露天都 1800 元以上 :

# pyboard MicroPython開發STM32F405RGT6開發板 PybV10b  $1800

# 【樹莓派 Raspberry pi】MicroPython pyboard $2145

# 【樹莓派Raspberry pi 專營店】MicroPython pyboard $2150

露天賣家 Proteus 則有一塊外觀像 Arduino, 但用 ESP-12F 做的開發板, 可直接使用 Arduino IDE 進行開發 :

# ESP8266 Arduino IDE 開發板 $486

而 Adafruit 也有一塊 HUZZAH 開發板, 要價 16.95 美金 (約 508 元台幣), 此板具有 4MB FLASH 記憶體, 9 個 GPIO 腳, 內建 CP2104 USB 轉換晶片 (但無 USB 插槽), 露天也有賣 :

# Adafruit Feather HUZZAH with ESP8266 WiFi 
# 《德源科技》Adafruit HUZZAH ESP8266 Breakout(ada2471) $441
# 《iCshop1》HUZZAH ESP8266 Breakout【80 MHz,3.3V】$450

我比較有興趣的是如何在 ESP8266 上跑 MicroPython, 因為我手邊還有好幾片 ESP8266 ESP-01 模組. 只要用 TTL-UART 模組將 MicroPython 韌體燒錄到 ESP-01 裡, 就可以在 ESP-01 上執行 Python 指令碼了. Adafruit 網站有介紹如何燒錄 MicroPython 韌體到 ESP8266 上, 參考 :

# MicroPython Basics: How to Load MicroPython on a Board
# ESP8266指南：角色、功效及開發途徑

MicroPython 有各板子的論壇可發問求助, ESP8266 板的 MicroPython 論壇位址如下 :

# https://forum.micropython.org/viewforum.php?f=16

首先是到 MicroPython 官網下載韌體 :

# MicroPython downloads

因為我手邊的是 512KB 藍板的 ESP-01, 所以要下載 512K 的韌體, 當然跟 1MB 的韌體的差別是有些功能被取消了, 這樣才能把韌體大小瘦身下來 :

接下來是將 ESP-01 模組接上 USB-TTL 上傳線, 我使用的是網路上很便宜的 PL2303HX (最便宜約 29 元, 參考 PL2303HX USB轉TTL 線材版), 燒錄前要將 GPIO0 接地才行 (須在 power up 之前, 因 ESP8266 是在電源打開時偵測 GPIO 以便決定是否進入燒錄模式), 燒錄完成後再拔掉接地線 :

參考 : 

# ESP8266 WiFi 模組 AT command 測試

# ESP8266 更新韌體
# Esp8266 Firmware Update

但要注意這款上傳線的驅動程式在 Win8 以上電腦要安裝舊版 (2009 年以前的) 才會動, 參考 :

# 安裝 PL2303HX USB 轉 TTL 驅動程式
# 關於 PL2303HX 在 win8 無法驅動的問題
# 安裝 PL2303HX USB 轉 TTL 驅動程式

燒錄軟體官網介紹的是使用 Python 的 esptools 套件, 安裝指令如下 :

D:\test>pip install esptool

Collecting esptool

  Downloading esptool-1.3.tar.gz

Collecting pyserial>=2.5 (from esptool)

  Using cached pyserial-3.3-py2.py3-none-any.whl

Installing collected packages: pyserial, esptool

  Running setup.py install for esptool ... done

Successfully installed esptool-1.3 pyserial-3.3

但我看了一下它的燒錄指令, 發現似乎是給 MacOS 上用的, Windows 上要怎麼下沒時間去研究, 所以還是用以前燒錄 AT 指令韌體的 ESP8266 Flasher :

# 下載 ESP8266 Flasher (參考 ESP8266: Reflash Dance!)
# Esp8266 Firmware Update

這個軟體操作很簡單, 就是選定 COM 埠, 指定要燒錄的 bin 韌體, 按 Download 即可, 燒錄結束時會出現 Failed to leave flash mode 不要理它, 那是 bug :

注意, 如果按 "Download" 鈕都沒反應, 但檢查裝置管理員 COM 埠又是正常, 那麼只要插拔一下 USB 插頭就應該可以抓到串列埠了.

也可以使用另一款 ESP8266Flasher.exe 來燒錄, 此程式可以指定燒錄速度 : 

# 下載 ESP8266Flasher.exe

執行 ESP8266Flasher.exe 後先在 Operation 頁籤指定 COM 埠 :

然後在 Config 頁籤中按齒輪鈕指定 MicroPython 韌體 :

在 Advanced 頁籤中選擇速率 115200, Flash Size 為 512KB :

最後返回 Operation 頁籤按下右邊的 Flash 鈕即開始燒錄 : 

燒錄進度滿格後, 檢查 Log 頁籤, 若左下角出現打勾表示燒錄成功, 否則失敗 :

我原先下載到 1MB 的韌體, 結果都是燒錄到約 89% 就停掉了, 重複試了好幾次都是這樣, 才想到我的 ESP-01 是舊版的 512KB, 用 1MB 的韌體當然燒不進去囉. 同樣地, 若按 "Flash" 鈕都沒反應, 但檢查裝置管理員 COM 埠又是正常, 切到 Log 這邊通常會看到 Serial port not connectted 訊息, 只要插拔一下 USB 插頭就應該可以抓到串列埠了. 

燒錄完成後關電, 拔掉 GPIO0 的接地線, 先開啟 Putty, 選擇 Serial 串列通訊, 115200 速率與所接的 COM 埠, 開啟連線即進入 Python 執行環境  (Linux 環境則是使用 screen) :

這時再給 ESP-01 送電就可以順利進入 REPL 命令模式了 :

預設是三個大於符號的 REPL 介面 (即 Python 解譯器提示符號). 輸入 help() 會顯示操作說明 :

>>> help()
Welcome to MicroPython!

For online docs please visit http://docs.micropython.org/en/latest/esp8266/ .
For diagnostic information to include in bug reports execute 'import port_diag'.

Basic WiFi configuration:

import network
sta_if = network.WLAN(network.STA_IF); sta_if.active(True)
sta_if.scan()                             # Scan for available access points
sta_if.connect("sta_if.isconnected()                      # Check for successful connection
# Change name/password of ESP8266's AP:
ap_if = network.WLAN(network.AP_IF)
ap_if.config(essid="
Control commands:
  CTRL-A        -- on a blank line, enter raw REPL mode
  CTRL-B        -- on a blank line, enter normal REPL mode
  CTRL-C        -- interrupt a running program
  CTRL-D        -- on a blank line, do a soft reset of the board
  CTRL-E        -- on a blank line, enter paste mode

For further help on a specific object, type help(obj)

按 CTRL+A 進入一個大於符號的原始 REPL 介面, 這是給了解 MicroPython 實作細節較了解的工程師使用的. 按 CTRL+B 則是進入正常的 REPL 介面, 也就是 Python 解譯器介面. 按 CTRL+C 可中斷執行中的程式, 按 CTRL+D 會使板子重置 (reset), CTRL+E 進入張貼模式. 

輸入 print("Hello Worl") 可正常執行; 但 print "Hello World" 卻錯誤, 可見確實是 Python3 環境. 此 REPL 介面會儲存前 6 次指令, 可按向上鍵叫回之前所下的指令修改為新指令, 這對測試程式功能相當方便.

我用一個 USB 電壓電流計量取 5V-3.3V 電源板所吃電流大約是 40mA 左右, 這包括了電源板本身的消耗, 所以估計 ESP8266 大約消耗 30mA 左右.

參考 :

# 【一起玩esp8266】简单调试

# MicroPython Usage

# MicroPython documentation

# Building and Running MicroPython on the ESP8266

# How to compile and install MicroPython for the ESP8266 WiFi breakout!

# MicroPython Basics: How to Load MicroPython on a Board

# ESP-01 1MB FLASH

# http://docs.micropython.org/en/v1.8.7/esp8266/esp8266/tutorial/filesystem.html

# https://learn.adafruit.com/micropython-basics-load-files-and-run-code/boot-scripts

# http://docs.micropython.org/en/v1.8.7/esp8266/esp8266/quickref.html#pins-and-gpio

# https://learn.adafruit.com/micropython-basics-load-files-and-run-code/install-ampy

# Problems with running MicroPython on ESP8266 with 512K

# Getting started with ESP8266 and MicroPython

# https://github.com/micropython/webrepl

# Access a Python console over WiFi with the ESP8266!

2017-05-16 補充 :

上週購買的五顆 ESP-01 1MB Flash 板收到後一直到昨晚才有時間測試, 但忘了將 USB-TTL 轉接線接地與將 CHPD 接 VCC, 搞了十分鐘才順利將 1MB 韌體燒錄完畢. 如果 CHPD 沒接 HIGH, 則 LOG 會一直顯示 Finding ESP8266, 如果有顯示 MAC 就表示已順利找到 ESP8266, 才能順利燒錄.

完成後開機顯示如下訊息, 跟 512MB 版確實不同 :

b▒#4 ets_task(40100164, 3, 3fff8398, 4)

could not open file 'boot.py' for reading

could not open file 'main.py' for reading

MicroPython v1.8.7-7-gb5a1a20a3 on 2017-01-09; ESP module with ESP8266

Type "help()" for more information.

>>>

參考下列文章, 以 import port_diag 指令可檢視板子的設定情形 :

# https://github.com/micropython/micropython/issues/2255

>>> import port_diag

FlashROM:

Flash ID: 1440c8 (Vendor: c8 Device: 4014)

Flash bootloader data:

Byte @2: 02

Byte @3: 20 (Flash size: 1MB Flash freq: 40MHZ)

Firmware checksum:

size: 586684

md5: 2c7ce68f0e1a5690257698e5e42caf16

True

Networking:

STA ifconfig: ('0.0.0.0', '0.0.0.0', '0.0.0.0', '208.67.222.222')

AP ifconfig: ('192.168.4.1', '255.255.255.0', '192.168.4.1', '208.67.222.222')

Free WiFi driver buffers of type:

0: 8 (1,2 TX)

1: 0 (4 Mngmt TX(len: 0x41-0x100))

2: 8 (5 Mngmt TX (len: 0-0x40))

3: 4 (7)

4: 7 (8 RX)

lwIP PCBs:

Active PCB states:

Listen PCB states:

TIME-WAIT PCB states:

另外, 可用 esp 函式庫檢查韌體是否有問題 :

>>> import esp

>>> esp.check_fw()

size: 586684

md5: 2c7ce68f0e1a5690257698e5e42caf16

True

最後顯示 True 表示韌體正常, 毋須重燒.  參考 :

# http://docs.micropython.org/en/latest/esp8266/esp8266/tutorial/intro.html#troubleshooting-installation-problems

2017-05-19 補充 :

除了下載現成的韌體燒錄到 ESP8266 板上外, 還可以自行從原始碼編譯韌體, 好處是可以挑選自己想要的功能或擴充現成韌體沒有包含的功能, 參考 :

# Build Firmware

另外, MicroPython on ESP8266 目前也還未支援 SD 卡 :

"MicroPython on the ESP8266 does not currently support running Python code off a SD card or other file system like other more mature MicroPython boards!"

參考 :

# MicroPython Usage

Adafruit 有賣一款 SD 卡擴充板, 問題是 ESP-01 能用嗎? 

# https://learn.adafruit.com/micropython-hardware-sd-cards

# MicroPython Hardware: SD Card Storage with Tony D! @micropython

# micropython-upip 1.2 (安裝擴充套件)

2017-06-18 補充 :

官網建議用 1M Bytes 的 ESP8266 模組 :

# https://docs.micropython.org/en/latest/esp8266/esp8266/tutorial/intro.html#requirements

"The minimum requirement for flash size is 1Mbyte. There is also a special build for boards with 512KB, but it is highly limited comparing to the normal build: there is no support for filesystem, and thus features which depend on it won’t work (WebREPL, upip, etc.). As such, 512KB build will be more interesting for users who build from source and fine-tune parameters for their particular application."

2017-06-26 補充 :

今天在 "MemoryError: memory allocation failed, allocating" 看到 os.uname() 指令, 它會傳回  6 元素 tuple 顯示系統資訊如韌體版本 : 

>>> import os

>>> os.uname()

(sysname='esp8266', nodename='esp8266', release='2.0.0(5a875ba)', version='v1.9.1-8-g7213e78d on 2017-06-12', machine='ESP module with ESP8266')

2017-07-05 補充 :

今天找到這個 Python 語言學習網站, 值得參考 :

# 學習如何使用 Python 程式語言

2017-09-09 補充 :

今天看到下面這個網站, 才知道 MicroPython 部分資助來自歐洲太空總署, 而且只有一位專職核心開發者, 兩名業餘貢獻者, 雖然還是屬於開發中的技術, 但持續成熟中 ! 

# http://todayispotato.github.io/micropython-talk/#/