原版的WiringPi是一个用于树莓派的GPIO库,用C语言开发,仓库地址:https://github.com/WiringPi/WiringPi。该库允许用户以编程方式访问和控制树莓派的GPIO引脚。而随着Python在嵌入式设备上的快速发展,其对底层引脚的操作也变得越来越多,因此将WiringPi中的API接口封装出对应的Python接口显得格外重要了。
目前是有这个库的Python版本:https://github.com/WiringPi/WiringPi-Python,是利用swig
这个工具自动读取头文件完成相关接口的封装,但该方式从使用角度来看存在以下几点问题:
- 灵活性不够强。比如:某些函数返回值通过输入的指针来传递,这种swig就没法有效识别。
- 未封装注释,且开发时无法弹出其中的API。开发时无法知道so文件内有什么函数,只能通过尝试去找相关用法。
- 存在重定义问题。WiringPi是C语言,部分头文件存在重定义问题。
Python的最大优势就是降低开发者的使用难度,因此上述这个仓库并未良好的展示出这一特点。考虑到Pybind11是一款广为使用的封装工具,熟知的pytorch就是基于这个工具将其C++接口封装为python的。因此,我就借用Pybind11来提供一个超好用的Python版的WiringPi!!!!
🌈仓库地址:https://github.com/Li-Zhaoxi/Pybind11-WiringPi
下面将介绍怎么安装编译Python版的WiringPi,并介绍了使用方法,以及这段时间的开发历程。
💡💡特别感谢晟哥在使用体验上提供的宝贵建议😎😎
一 工具包编译
在编译前,有以下几点需要注意下:
- 目前封装的WiringPi的仓库地址是https://gitee.com/study-dp/WiringPi,仅适用于地平线开发板。其他开发板比如树莓派等,我手上暂时没有,在后续开发中会慢慢补上,各位可以多多关注仓库主页以及Release信息。
- Python包依赖C++库,编译时候会安装到系统环境中。在之后迭代时我打算将编译出的so文件都放在包这个路径下,而且编译过程全部自动化处理。
我说下封装的思想,Python包是在现有C++动态库的基础上进行的二次封装,这样在C++项目中和Python项目中只会启动一个so文件,起到节省内存的作用。
- 如果你想从头编译本项目,编译安装流程如下:
# 安装依赖包
sudo pip3 install mypy ninja
# 下载项目,recursive必须要加
git clone --recursive https://github.com/Li-Zhaoxi/Pybind11-WiringPi
cd Pybind11-WiringPi
# 安装依赖的WiringPi C动态库
cd 3rdparty/WiringPi-RDK
./build
cd ../..
# 安装Pybind11
cd 3rdparty/pybind11
mkdir build && cd build
cmake -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release -DBUILD_TESTING=OFF ..
sudo make install
cd ../../..
# 编译出用于安装的python.whl
python3 setup.py bdist_wheel
# 安装我们编译好的包
sudo pip3 install dist/WiringPi*.whl
- 如果你想利用我编译好的whl文件,可以从这里下载编译好的whl文件WiringPi-0.1.0-cp38-cp38-linux_aarch64.whl,之后编译安装流程如下:
# 下载项目,recursive必须要加
git clone --recursive https://github.com/Li-Zhaoxi/Pybind11-WiringPi
cd Pybind11-WiringPi
# 安装依赖的WiringPi C动态库
cd 3rdparty/WiringPi-RDK
./build
cd ../..
# 安装提供的python包,<path>表示包存放的根目录
sudo pip3 install <path>/WiringPi-0.1.0-cp38-cp38-linux_aarch64.whl
输入python3
,如果能正确import WiringPi
,就表明你已经正确安装当前项目,可以快乐开发了。
二 使用方式
先放使用效果图,在import WiringPi
之后,你可以直接看到包内的所有函数接口以及相关的注释。每个函数我都将C语言中的注释迁移过来了,而且我从使用角度对函数的api进行了微调!!!(还不快快谢谢小玺玺→_→)
我已经在项目主页的README中补充了包中所有的函数/变量的层级关系及接口声明。这样如果我们知道要调用的函数名,可以直接在项目主页中搜索这个函数名,得到调用方式。比如softPwmCreate
这个函数的调用方式就是from WiringPi.softdriven import softPwmCreate
。
三 开发过程
这里我聊聊聊聊自己的开发细节,先说说为啥自己心血来潮要封装WiringPi,首先是因为去年Arui在利用X3的PWM接口时,官方提供的python版本的控制PWM出现抖动的问题,C++版本的wiringPi能满足要求,但没法python调用。当时快速给他用Cython包装了他要的接口,已经验证通过了。然而最近另一位开发者要使用这个东西,但是在他的板子上怎么也运行不起来,我又没太多时间教他怎么配置这个,为了减少各位在这种造轮子上花费的时间,所以我要将WiringPi这个库彻底封装。
该项目从1月10日创建,到目前出了一版,用了1个月的时间,在构造这个项目的时候,我就一直在思考构造一个“好用”的Package都要考虑什么,目前我想到的点主要有以下这些:
- 接口设计。Python的习惯是利用返回值返回数据,而C语言是通过传递指针来输出数据的。我需要理解每个函数的用法,并制定相关的优化方式。
-
安装简化。用最少的指令完成项目的编译与安装。即,利用
pip install
安装包,利用python setup.py
生成包。 - 注释完善/辅助开发。利用好vscode开发的自动弹出功能,展示函数的接口以及相关的注释,让内容变得透明。
- 撰写好用的开发文档。从博客/项目readme等角度,减少用户的学习成本。
除了“接口设计”这一部分是开发部分的工作,其他的工作都是围绕着生态展开的,由此也可见生态是多么重要。封装WiringPi这个是个大工程,下面列举出我在开发时为了提升使用体验做出的努力😎:
-
检查了所有函数的接口,并对其中一些函数的使用方式进行了优化。比如
-
对于通过输入参数类型为指针来返回值的,通过lambda表达式进行了新的定义。函数
void wiringPiVersion(int *major, int *minor)
返回的版本信息,存储在major, minor
中,这样我就可以将其封装为封装在返回值中,在py中可以通过major, minor = wiringPiVersion()
的方式进行调用。 - 优化了一些实际返回值是int但实际上应该是bool的函数。C语言中用1,0表示true,false,防止py使用时产生疑惑,我从其实现代码中将只返回0,1的函数返回类型改为bool。
-
输入参数包含数组的函数,适配为输入np.ndarray的形式。比如函数
void ds1302clockWrite(const int clockData[8]);
需要输入一个包含8个元素的数组,对应的python声明为def ds1302clockWrite(clockData: numpy.ndarray[numpy.int32]) -> None
,代码中会自动校验元素个数。 -
按照传感器的类型进行了分类与整合。比如GPIO扩展芯片
mcp23s08, pcf8574
,我把相关的函数封装在WiringPi.gpio
模块里。
-
对于通过输入参数类型为指针来返回值的,通过lambda表达式进行了新的定义。函数
-
简化安装过程,编译这个包只需要
python3 setup.py bdist_wheel
即可。-
在setup.py过程中就已经完成了辅助开发的构造。封装c++生成的so文件,vscode是无法弹出其中的函数的,也就意味着so文件对用户来说是不透明的。所以必须基于so文件生成对应的
.pyi
声明文件。- 最开始使用的是pybind11-stubgen,但是问题较多,C++17的特性支持的一般,研究测试了一段时间后放弃。
- 目前使用的是mypy来导出大部分函数的声明与注释。但是奇怪的是每个模块的doc无法导出,只能在setup.py中补充个后处理函数来解决这个问题。
- 在setup.py中利用cmakelists.txt对模块进行编译。就是将正常编译cmake项目关联的指令整理在一起,完成自动编译。当然由于包含模块的后处理之类的,这里对其中的一些关键函数进行了重载。
-
在setup.py过程中就已经完成了辅助开发的构造。封装c++生成的so文件,vscode是无法弹出其中的函数的,也就意味着so文件对用户来说是不透明的。所以必须基于so文件生成对应的
-
整理了所有函数的注释。WiringPi中很多注释是写在
.c
文件里了,我把这些注释都封装在pybind中,量真的很大😭。
开发中我经常能遇到undefined symbol
的问题,这里记录下导致这个问题的几种情况。
- 头文件忘记
extern "C"
。比如报错说是_Z10rht03Setupii
是个未定义的符号,- 首先利用
c++filt _Z10rht03Setupii
解析出函数声明:rht03Setup(int, int)
- 然后
nm -g /usr/local/lib/libwiringPi.so
列举出这个库是否包含rht03Setup
- 发现库包含这个函数,所以看头文件,发现没写
extern "C"
。这会导致C++项目链接到这个库时,无法引用相关的函数。补充上即可。
- 首先利用
-
Makefile
漏掉了某些.c
文件,比如softServo
这个就没编译。同样,我利用nm
工具发现库中就没这个函数,就直接去检查是否编译了。修复这个问题就能正常使用了。
四 小结
这一个月,下班回家后就开始研究封装相关的技术和工具,几乎天天从11点整理到2点,其实如果只是封装的话并不难,主要是很多传感器我要分类,我要研究用法。而且经常凌晨拉着晟哥哥讨论怎么设计结构,获取使用体验等等(真的感谢)。真心希望各位后续不会在接口的使用上困住。文章来源:https://www.toymoban.com/news/detail-832241.html
WiringPi这个项目还有很多工作要做,在未来的工作中还需要继续完善与优化,还请各位多多关注仓库主页:Pybind11-WiringPi。后续的工作主要还是围绕以下几点:文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-832241.html
- 增加BPU推理python自定义层的支持。目前自定义层仅用于c++推理,导致部分模型,比如HED边缘检测算法,部署难度大幅增加。
- 增加树莓派引脚的适配。我目前使用的WiringPi是地平线X3开发板专用的,为了避免对树莓派用户开发干扰,会补充个全局变量来解决。这部分工作其实就是解决设备兼容问题,欢迎树莓派用户一起来搞。
- 尽可能补充各个模块函数的使用demo。降低用户的学习/开发成本。
到了这里,关于利用Pybind11封装Python版的WiringPi!的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!