利用 C 語言開始使用 Raspberry Pi Pico 多核心微控制器板

嵌入式系統在本質上需配備功能強大、低成本的微控制器單元 (MCU)。這些裝置不僅在產品中發揮重要作用，而且也可支援測試、快速原型設計和機器學習 (ML) 等功能。但是，若要開始使用 MCU，通常要先深入瞭解 MCU 技術和低階程式設計語言。最重要的是，開發板的成本通常在 20 至 1000 美元之間，這對許多開發人員來說可能太貴了。此外，也絕非一定會有開發板可用；即使有，設計人員往往也要費一番功夫才能組好板件並運作。

本文將介紹 Raspberry Pi Pico (SC0915)；這是一款 RP2040 MCU 用的低成本開發板，能為開發人員提供多種功能。本文也會介紹 Pico 和一些擴充板、瞭解 Raspberry Pi Pico 支援的不同軟體開發套件，並示範如何使用 C SDK 建立閃爍的 LED 應用。

Raspberry Pi Pico 介紹

Raspberry Pi Pico 於 2021 年首次推出，是 RP2040 微控制器的開發平台。Pico 可當作獨立開發板使用，也可直接設計成產品，利用邊緣連接再焊接到載板即可 (圖 1)。由於 Pico 費用低於 5 美元且具有多重用途，因此已成為創客與專業開發人員常用的解決方案。

圖 1：Raspberry Pi Pico是一款低成本的開發板，含有在 RP2040 微控制器上開發應用所需的各項資源。(圖片來源： Raspberry Pi)

RP2040 具有雙核心 Arm® Cortex®-M0®+ 處理器，工作頻率為 133 MHz，具有高達 264 KB 的 SRAM。RP2040 不包含晶片上快閃記憶體。相反地，Raspberry Pi Pico 提供外接的 2 MB 快閃記憶體晶片，可透過四通道序列周邊介面 (QSPI) 與 RP2040 介接。此板還提供使用者 LED、鎖相迴路 (PLL) 可用來建立穩定高速 CPU 時脈的晶體振盪器，以及用於配置處理器正常啟動或進入開機載入程式的按鈕。

廣大的生態系統

Raspberry Pi Pico 已經擁有廣大的生態系統，能讓開發人員選擇使用 MicroPython 或 C 軟體開發套件編寫電路板的應用程式。Raspberry Pi Pico 有趣的地方在於，不只有一款開發板而已；而是有三款。原始的 SC0915 採用標準配置、SC0917 則含有排針座連接器、SC0918 則具有低成本的 Wi-Fi 晶片，可達到連線應用 (圖 2)。

圖 2：Raspberry Pi Pico 提供三種配置。(圖片來源： Beningo Embedded Group, LLC)

各個款式的電路板，一般尺寸維持不變。電路板的邊緣連接包括用於周邊的 40 引腳邊緣連接，以及圖 3 所示的連接選項。包括電源、接地、通用非同步接收器和發射器 (UART)、通用輸入和輸出 (GPIO)、脈寬調變 (PWM)、類比數位轉換器 (ADC)、序列周邊互連 (SPI)、內部積體電路 (I2C) 介面和除錯。

圖 3：Raspberry Pi Pico 邊緣連接的引腳配置提供多種周邊存取。(圖片來源：Raspberry Pi)

分接板選項

當 Raspberry Pi 用於快速原型製作時，就必須可輕鬆存取電路板的邊緣連接器。其中一個存取方法就是裝上排針座並使用分接板。只是這個解決方案通常會導致電線一團亂，進而發生失誤。因此，分線板提供多種選擇，可擴充邊緣連接器，以配合更多種現成介面。

例如，Bridgetek 的 MM2040EV Pico 模組板將大多數邊緣連接器分拆成引腳和插座連接。此外，Seeed Studio 也有推出 Pico 用的 103100142 擴充板，可讓每個週邊介面當作連接器。每個連接器的引腳都可相容於擴充板，可藉此添加功能，例如慣性感測器、馬達驅動器和測距儀等。

選擇 C 還是 MicroPython？

嵌入式系統傳統上都是用 C 語言編寫，因為可用較高階的系統應用作法平衡低階控制。但目前 C 語言的問題在於，這是一個已有五十年歷史的古老程式設計語言，很少有學校在教授這門課程了。此外也很容易出現程式錯誤並造成損壞。儘管有這些潛在問題，但 C 語言仍是絕大多數嵌入式系統開發時的首選語言。

Raspberry Pi Pico 生態系統提供 C 語言替代方案就是 MicroPython。MicroPython 是一種 CPython 埠，可在 MCU 架構系統上運作。雖然這無疑比 C 語言消耗更多處理器資源，但卻是許多開發人員熟悉且慣用的現代化程式語言。MicroPython 可以抽取 MCU 和硬體的低階細節。硬體存取可透過容易學習的高階應用程式開發介面 (API) 進行，這對期限緊迫的專案來說相當重要。

在挑選使用哪個軟體開發套件 (SDK) 時 (C 或 MicroPython)，開發人員要關注特定需求。與 MicroPython 相比，使用 C 語言就能對 MCU 暫存器達到低階存取、記憶體佔用更小且效率更高。

設定 C SDK

使用 C SDK 建立閃爍的 LED 應用時，有幾個選項。首先就是查閱 SDK 文件並按照指示進行。第二個是使用預設的 Docker 容器自動安裝入門所需的所有工具。第三個選項是手動安裝工具鏈和 Raspberry Pi Pico 範例程式碼，包括：

• Git
• Python 3
• Cmake
• gcc-arm-none-eabi \
• libnewlib-arm-none-eabi

若要取得 Raspberry Pio 範例程式碼，可以利用以下命令複製 Raspberry Pi 的 git 儲存庫：

git clone https://github.com/raspberrypi/pico-sdk /home/sdk/pico-sdk && \

     cd /home/sdk/pico-sdk && \

    git submodule update --init &&

安裝完這些函式庫與原始程式碼後，下一步就是探索和編譯一個閃爍的 LED 應用程式。

編寫第一個閃爍的應用程式

C SDK 隨附一個閃爍範例程式，開發人員可以使用此範例來構建第一個應用程式。以下的程式碼清單使用 Pico 的板載 LED 和 PICO_DEFAULT_LED_PIN 指令來設置 I/O 引腳，並以 250 ms 的延遲進行閃爍。

複製
	/**
	 * Copyright (c) 2020 Raspberry Pi (Trading) Ltd.
	 *
	 * SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
	 */
	

	#include "pico/stdlib.h"
	

	int main() {
	#ifndef PICO_DEFAULT_LED_PIN
	#warning blink example requires a board with a regular LED
	#else
	    const uint LED_PIN = PICO_DEFAULT_LED_PIN;
	    gpio_init(LED_PIN);
	    gpio_set_dir(LED_PIN, GPIO_OUT);
	    while (true) {
	        gpio_put(LED_PIN, 1);
	        sleep_ms(250);
	        gpio_put(LED_PIN, 0);
	        sleep_ms(250);
	    }
	#endif
	}

程式碼清單：Raspberry Pi Pico使用 PICO_DEFAULT_LED_PIN 指令設置 I/O 引腳，並以 250 ms 的延遲閃爍。(程式碼來源：Raspberry Pi)

根據清單，LED_PIN 分配到預設引腳，然後會調用 C gpio API。gpio_init 可用來初始化引腳，而 gpio_set_dir 則用於將 LED_PIN 設定成輸出。接著會建立一個無限迴圈，每 250 ms 會切換一次 LED 狀態。

應用程式的編譯相對簡單。首先，開發人員要使用以下命令，在 Raspberry Pi Pico 資料夾中建立一個組建目錄：

mkdir build

cd build

接下來則要執行以下命令，為組建準備 cmake：

cmake

現在，開發人員就可切換到 blinky 目錄並執行 make：

cd blink

make

組建流程會輸出 blinky.uf2 檔。編譯後的程式可以載入到 Raspberry Pi Pico 上，只要按住 BOOTSEL 引腳然後將電路板通電即可。RP2 就會顯示成大容量存儲裝置。開發人員需要將 blinky.uf2 檔案拖到磁碟機中，此時，開機載入程式就會安裝應用程式。完成後，LED 應該就會開始閃爍。

結論

Raspberry Pi Pico 對於想在開發週期中享有靈活性的嵌入式開發人員來說，是一個有吸引力的解決方案。提供多種選項，包括獨立解決方案或具有無線連線的電路板。此外，生態系統也支援 C 和 C++，以及 MicroPython。開發人員可以選擇最適合其應用的語言，然後利用對應的 SDK 來加速軟體開發。