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用 Swift 开发嵌入式应用

创作时间:

作者:

@小白创作中心

用 Swift 开发嵌入式应用

引用

来源

https://fatbobman.com/zh/posts/developing-embedded-applications-with-swift/

近年来，Swift语言逐渐展现出其跨平台开发的潜能。本文将分享使用Swift语言在SwiftIO开发板上进行嵌入式开发的一些尝试和体会。特别说明：本文讨论的嵌入式开发专指在不具备内存管理单元（MMU）的MCU（微控制器单元）硬件上的开发，不涉及像树莓派（Raspberry Pi）这类具备完整通用计算能力的设备。

Swift并非专属于苹果生态

虽然大部分Swift开发者主要在苹果生态中使用这一语言，Swift自诞生起便被设计为一种跨平台的现代系统级编程语言。这表明Swift的开发团队希望这种语言能在更广泛的平台和系统上运行，满足从底层到用户界面的多样化开发需求。

在肘子的Swift周报第26期中，我们介绍了Swift在Linux、Windows以及嵌入式平台上的发展，以及一些关键的框架和项目的开源情况和跨平台开发进展。这些动向显示，Swift正在加速其在非苹果平台生态中的扩展，以实现其最初的全平台适用愿景。

为什么要用高级语言进行嵌入式开发

我们的日常生活中充斥着对嵌入式设备的使用，涉及家电、门禁、监控以及POS机等众多设备。传统上，许多人认为嵌入式系统的硬件性能有限，仅适用于功能简单且对稳定性要求高的应用场景。

然而，随着技术的进步和需求的增长，低性能的嵌入式设备已经无法满足各种复杂场景的需求。以高速普及中的智能汽车为例，为了确保稳定性，方向盘后的仪表板不会直接通过车载系统控制并显示，而是依赖于一款具备足够的性能来支持复杂的显示效果的微控制器（MCU）。如此即便主车机系统发生故障，仪表板仍需保持功能。

随着嵌入式应用的复杂度成倍增加，如果不采用高级编程语言进行开发，将严重影响开发效率和应用的整体表现。

SwiftIO Playground Kit

数年前，开发者们就开始尝试将Swift应用于嵌入式领域，并取得了初步进展。我在两年前关注到了Mad Machine这个团队。由于疫情影响，他们的初代产品在芯片供应上遇到了困难。今年三月，他们推出了新一代产品：SwiftIO Playground Kit。在收到了开发套件后，我立即进行了测试，并体验了使用Swift进行嵌入式开发的乐趣和挑战。

SwiftIO Playground Kit包括SwiftIO Micro核心板和多种输入输出设备。随着嵌入式设备的复杂性增加，Mad Machine选择了Zephyr实时操作系统和基于Swift构建的核心库来处理底层复杂性。这样，开发者无需担心硬件细节，同时也确保了代码对未来硬件变更的兼容性。SwiftIO Micro配置为600MHz的MCU、32MB RAM和16MB Flash，提供了强大的性能，这样的配置使得开发者不必担心Swift标准库编译后的大小（当前为2MB）。

Swift社区已经设立了专人以解决Swift语言当前在嵌入式开发领域所面临的一些困难，主要是解决std尺寸的问题。

开发初体验

因为官方提供了详尽文档，因此构建开发环境的操作十分顺利，具体步骤包括：

安装必要的驱动程序（目前支持macOS和Linux）。
下载mm-sdk，包含了为嵌入式开发定制的Swift 5.9和相关工具。
在VSCode中安装插件并设置SDK路径，指向刚刚下载的mm-sdk。

完成这些设置后，我们便可以在VSCode中看到MADMACHINE面板，并开始创建项目。

我的VSCode配置包括由Swift Server Workgroup开发的Swift for Visual Studio Code，以及SwiftLint和SwiftFormat插件。有关在Linux上搭建Swift开发环境的详细方法，请参阅此指南。

接着，我们引入必要的第三方库，并编写以下代码来控制蓝色LED灯每秒闪烁一次：

import SwiftIO
import MadBoard
let led = DigitalOut(Id.BLUE)
while true {
}

官方还提供了许多有趣的Demo，如下面的沙子坠落模拟，详细的算法说明可以在官网找到。用户可以通过调整电位器改变沙子的喷射位置，点击按钮来释放新的沙粒。

尽管开发过程总体顺利，但在最初的兴奋过后，我开始注意到与我平时使用Swift进行的开发相比，当前方式还存在一些不足。首先是在VSCode中，尽管安装了插件，但在代码声明跳转和第三方库深入方面的表现仍有局限。另外由于开发板的数据传输速率限制，每次编译后都需要等待一段时间才能传输数据到开发板并调试（例如沙子项目需要大约14秒）。对于习惯于Xcode + SwiftUI + 预览的开发流程的我来说，这种开发体验存在明显的差距。特别是在开发较为复杂且包含UI的应用时，编译和数据传输的耗时可能会显著影响开发效率。

那么，我们是否能在现有条件下，通过熟悉的工具和流程来改进这些问题呢？

用熟悉的方式来开发嵌入式应用

在本章中，我将以“沙子”项目为例，展示如何构建我理想中的开发流程。您可以在此处查看修改后的项目。

分析

“沙子”项目主要由两个Swift文件构成。

Sand.swift
包含了项目的核心逻辑，定义了一个Sand类型，负责根据电位器的输入调整喷射口的位置，并处理沙粒的坠落、碰撞和动画逻辑。而main.swift主要负责硬件的初始化和循环调用sand.update()方法以刷新显示内容。

深入分析Sand类型，我们可以识别出以下几个与硬件直接交互的部分：

利用ST7789控制器绘制图像
通过AnalogIn读取电位器的数据
使用getSystemUptimeInMilliseconds函数获取时间间隔以改变沙子的颜色

若能将这些与硬件交互的逻辑抽象化，我们就可以使Sand类型（即应用的核心逻辑）独立于具体硬件，使其能够在其他平台上运行。

幸运的是，Mad Machine使用纯Swift代码来控制这些硬件，我们可以通过将其实现抽象成协议的方式，满足我们的开发需求。

声明协议

为了实现硬件抽象化，我创建了一个新的包MadBoardBase，其中定义了两个关键的接口协议。

注意：这些协议的声明只包含了当前代码中实际使用到的方法和属性，主要目的是为了验证概念。

public protocol ST7789Base {
  func writePixel(x: Int, y: Int, color: UInt16)
  func writeBitmap(x: Int, y: Int, width w: Int, height h: Int, data: UnsafeRawBufferPointer)
}
public protocol AnalogInBase {
  func readPercentage() -> Float
}

这些协议允许我们在不直接依赖具体硬件实现的情况下，模拟和控制硬件行为，从而使Sand类型的应用逻辑可以跨平台运行。

剥离硬件依赖

为进一步抽象化，我创建了一个新的包：Sand，专门用于封装与Sand类型相关的声明。通过整合MadBoardBase包，我们对Sand.swift文件进行了重要调整，以确保其与硬件的独立性。

public final class Sand<S, A> where S: ST7789Base, A: AnalogInBase {
  ...
  // 时间获取代码也抽象出来
  public init(screen: S, cursor: A, getSystemUptimeInMilliseconds: @escaping () -> Int64) {
    ...
  }
  ...
}

通过这些调整，Sand类型现在能够与任何实现了ST7789Base和AnalogInBase协议的硬件或模拟模块兼容，使其可以跨平台进行测试和调试。

查看代码的变更：调整前与调整后。

构建视图组件

虽然Sand类已经实现了与硬件的独立性，但为了在不同的环境下使用它，我们需要适当的视图组件。

为此，我们创建了一个名为MadBoardViewComponents的新包，其中定义了符合ST7789Base和AnalogInBase协议的视图组件，这些组件可以在SwiftUI加上预览的环境中对Sand代码进行调试。

首先，我们利用SwiftUI的Slider来模拟电位器的行为：

public final class AnalogInModel: AnalogInBase,ObservableObject {
  @Published public var value:Float = .zero
  public init(){}
  public func readPercentage() -> Float {
    value
  }
}
public struct AnalogInComponent: View {
  @ObservedObject private var model:AnalogInModel
  public init(model: AnalogInModel) {
  }
  public var body: some View {
    Slider(value: $model.value, in: 0...1)
  }
}

接着，我们创建一个模拟ST7789液晶屏的组件：

public final class ST7789Model: ST7789Base, ObservableObject {
  public var width: Int
  public var height: Int
  var pixels: [UInt16] // 用于存储像素数据的数组
  public init(width: Int = 240, height: Int = 240) {
    pixels = Array(repeating: 0x0000, count: width * height)
  }
  public func writePixel(x: Int, y: Int, color: UInt16) {
    guard x >= 0, y >= 0, x < width, y < height else { return }
    pixels[y * width + x] = color
  }
  public func writeBitmap(x: Int, y: Int, width w: Int, height h: Int, data: UnsafeRawBufferPointer) {
    guard x >= 0, y >= 0, x + w <= width, y + h <= height else {
      return
    }
    let srcData = data.bindMemory(to: UInt16.self)
    let srcRowStart = row * w
    let dstRowStart = (y + row) * width + x
    for col in 0..<w {
      pixels[dstRowStart + col] = srcData[srcRowStart + col]
    }
  }
}
public class ST7789UIView: UIView {
  ....
}
public struct ST7789UIComponent: UIViewRepresentable {
  var model: ST7789Model
  var scale: CGFloat
  public init(model: ST7789Model, scale: CGFloat = 1.0) {
  }
  public func makeUIView(context _: Context) -> ST7789UIView {
    let view = ST7789UIView(frame: CGRect(x: 0, y: 0, width: CGFloat(model.width), height: CGFloat(model.height)), model: model)
    return view
  }
  public func updateUIView(_: ST7789UIView, context _: Context) {}
  public func sizeThatFits(_: ProposedViewSize, uiView _: ST7789UIView, context _: Context) -> CGSize? {
    .init(width: CGFloat(model.width), height: CGFloat(model.height))
  }
}

完整的ST7789UIView代码可在此链接查看。我最初尝试使用SwiftUI的Canvas构建组件，但由于性能不足，目前转而采用基于UIKit的实现方式。为了进一步优化性能，应考虑在未来使用Metal。此外，为了减少对主线程的影响，可以考虑采用其他的输入方法，如利用游戏手柄进行输入。

创建SwiftUI项目

在完成所有准备工作后，我们现在可以开始以熟悉的方式开发“沙子”演示项目了。首先，在根目录下创建一个名为DropSand的SwiftUI项目，并将MadBoardViewComponents和Sand库集成进来。

与main.swift文件的处理方式类似，我们仅需按照标准的SwiftUI应用流程声明视图组件，并调用Sand类实例，即可使演示项目在SwiftUI环境中顺利运行。

编写与硬件相关的部分

完成Sand类型的跨平台调试后，我们可以开始将这段代码应用于实际的嵌入式项目。

在VSCode中，通过MADMACHINE面板选择New Project来创建名为SandPlayground的项目。从原始项目复制main.swift的代码，并进行以下必要的调整，使其适应嵌入式环境：

import Sand
extension ST7789: ST7789Base {}
extension AnalogIn: AnalogInBase {}
// 增加用于获取时间的函数
var sand = Sand(screen: screen, cursor: cursor, getSystemUptimeInMilliseconds: getSystemUptimeInMilliseconds)

这样，经过调整的Sand代码便可以无缝运行在苹果设备和嵌入式平台上，实现真正的代码复用。