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Author: chai2010

docs/public/st0052-01.png

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+# 凹语言重新点亮 Arduino nano 33
+
+- 时间：2024-09-22
+- 撰稿：凹语言 开发组
+- 转载请注明原文链接：[https://wa-lang.org/smalltalk/st0052.html](https://wa-lang.org/smalltalk/st0052.html)
+
+---
+
+凹语言是国内 Gopher 发起的纯社区构建的开源国产编程语言项目。凹语言最初在2022年底增加了对Arduino-wasm平台的支持，后来在2023年底因为聚焦MVP开发临时去掉了Arduino目标的支持。最近在下个发布的v0.17.0版本中将恢复对Arduino nano 33开发版的支持，相对于之前的版本现在的凹语言特性更加丰富。
+
+- 例子代码：[https://gitee.com/wa-lang/wa/tree/master/waroot/examples/arduino](https://gitee.com/wa-lang/wa/tree/master/waroot/examples/arduino)
+- 安装凹语言版本：`go install wa-lang.org/master`
+
+## 1. Arduino-wasm 是什么
+
+Wasm3 是一个高性能的 WebAssembly 解释器，而 Arduino-wasm 则是 Wasm3 针对 Arduino 的定制版本。Wasm3 最小的硬件依赖是 ~64Kb Flash 和 ~10Kb RAM。
+
+Github 仓库：[https://github.com/wasm3/wasm3-arduino](https://github.com/wasm3/wasm3-arduino)
+
+下面是 Wasm3 运行在 iOS 的截图：
+
+![](/st0015-01.png)
+
+Arduino-wasm 则是运行在 Arduino Nano 33 等开发板上的 Wasm3。
+
+
+## 2. Arduino Nano 33 开发板介绍
+
+Arduino Nano 33，是 Arduino Nano 的高配版本，是一款基于 nRF52840 SoC ARM 32 位处理器的微型开发板。其中 Arduino Nano BLE Sense 其主控芯片集成了蓝牙低功耗（BLE）。NANO 33 BLE 不仅保留了与经典款 NANO 同样的尺寸与管脚，且在此基础上配有多种高性能传感器等，当然最重要的是满足了 Arduino-wasm 的最低硬件要求。
+
+![](/st0015-02.jpg)
+
+目前（2024年底），淘宝的价格大约在200元以内。
+
+## 3. 编写 Arduino 的闪灯例子
+
+首先用`wa init`生成一个arduino例子：
+
+```
+$ wa init -arduino
+$ cd hello/
+$ tree
+.
+├── README.
+├── src
+│   └── main.wa
+└── wa.mod
+```
+
+其中 `main.wa` 内容如下：
+
+```wa
+// 版权 @2024 arduino 作者。保留所有权利。
+
+import "syscall/arduino"
+
+global LED = arduino.GetPinLED()
+
+func init {
+	arduino.PinMode(LED, 1)
+	arduino.Print("凹语言(Wa)/Arduino is running ...\n")
+	arduino.Print("https://wa-lang.org\n")
+
+	for {
+		arduino.DigitalWrite(LED, arduino.HIGH)
+		arduino.Delay(100)
+		arduino.DigitalWrite(LED, arduino.LOW)
+		arduino.Delay(900)
+	}
+}
+```
+
+代码逻辑比较简单，只是换成了凹语言来写。我们直接使用了 `syscall/arduino` 包来使用 Arduino 的功能。
+
+
+## 4. `syscall/arduino` 包介绍
+
+让我们看看 [`syscall/arduino` 包的代码](https://gitee.com/wa-lang/wa/tree/master/waroot/src/syscall/arduino)：
+
+```wa
+// 版权 @2022 凹语言 作者。保留所有权利。
+
+const (
+	LOW  :i32 = 0
+	HIGH :i32 = 1
+
+	INPUT        :i32 = 0
+	OUTPUT       :i32 = 1
+	INPUT_PULLUP :i32 = 2
+)
+
+#wa:import arduino millis
+func Millis() => i32
+
+#wa:import arduino delay
+func Delay(ms: i32)
+
+#wa:import arduino pinMode
+func PinMode(pin, mode: i32)
+
+#wa:import arduino digitalWrite
+func DigitalWrite(pin, value: i32)
+
+#wa:import arduino getPinLED
+func GetPinLED() => i32
+
+#wa:import arduino print
+func PrintRawString(ptr: i32, len: i32)
+
+func Print(s: string) {
+	print(s)
+}
+
+func Println(s: string) {
+	println(s)
+}
+```
+
+主要是将常用的函数通过 WASM 方式导入到了代码空间，大部分函数并不在凹语言中实现。
+
+## 5. 编译到 Arduino-wasm 平台
+
+可以通过`wa build`命令构建程序：
+
+```
+$ wa build
+$ tree
+.
+├── README.md
+├── output
+│   ├── arduino
+│   │   ├── app.wasm.h
+│   │   └── arduino.ino
+│   ├── hello.wasm
+│   └── hello.wat
+├── src
+│   └── main.wa
+└── wa.mod
+```
+
+output目录存放编译的结果，`output/arduino/arduino.ino`是Arduino工程文件，`output/arduino/app.wasm.h`是`output/hello.wasm`文件对应的数据数组。
+
+```c
+// Auto Generate by Wa language. See https://wa-lang.org
+
+unsigned int app_wasm_len = 4608;
+
+unsigned char app_wasm[] = {
+	0x00, 0x61, 0x73, 0x6d, 0x01, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01, 0x37,
+	
+	0x03, 0x24, 0x74, 0x30, 0x17, 0x00, 0x18, 0x00,
+};
+```
+
+然后 Arduino 工程就可以通过 `#include "app.wasm.h"` 方式引用这个 WASM 程序，最终和 Wasm3 一起编译。
+
+## 6. Arduino 平台胶水代码初探
+
+最终还需要一个 `arduino.ino` 代码（其实就是针对 Arduino 简化的 C++ 程序）。代码结构如下：
+
+```c
+#include <wasm3.h>
+#include <m3_env.h>
+
+// 定义 WASM 和 本地栈大小
+#define WASM_STACK_SLOTS  1024
+#define NATIVE_STACK_SIZE (32*1024)
+
+// WASM 最大内存限制, 一般不得超过 64KB 大小
+#define WASM_MEMORY_LIMIT (32*1024)
+
+// 导入 凹语言 生成的 WASM 文件对应的二进制头文件
+#include "app.wasm.h"
+```
+
+开头保护 Wasm3 和 WASM 程序对应的头文件，同时定义以下栈的大小。
+
+然后看看代码主体结构：
+
+```cpp
+// 执行 WASM 的函数
+void wasm_task(void*) { ... }
+
+// setup 作为 main 函数用户
+void setup() {
+	// 串口初始化
+	Serial.begin(115200);
+	delay(100);
+
+	// 等待串口初始化完成, 必须是 USB 串口
+	while(!Serial) {}
+
+	// 阻塞执行 wasm 程序, 不会返回
+	wasm_task(NULL);
+}
+
+// 该函数不会被执行
+// 定义该函数只是为了确保 Arduino 编译通过
+void loop() {
+	delay(100);
+}
+```
+
+Arduino 的常规代码只有 setup 和 loop 两个函数。不过这里只用到了 setup 函数。在 setup 函数中首先初始化串口（方便打印调试信息），最后调用 `wasm_task` 执行凹语言写的亮灯代码，其中会加载 WASM 模块并执行。`wasm_task` 看起来是一个比较复杂的程序，不过核心逻辑和普通的 WASM 执行流程类似，细节可以下次文章再展开。
+
+总体来说，以上这些胶水代码是相对固定的。后面会自动生成全部这些代码，同时去掉对外部其他工具的依赖。目标是生成的 Arduino 工程文件可以直接打开构建。
+
+## 7. Arduino 构建 & 执行
+
+如果是第一次使用 Arduino Nano 33 开发板，打开 IDE 后会提示安装必要的工具。然后需要在库管理菜单手动安装 Wasm3 包：
+
+![](/st0015-03.jpg)
+
+然后编译后上传的效果：
+
+![](/st0015-04.jpg)
+
+执行的效果，除了可以看到 LED 闪烁，串口还可以看到输出信息：
+
+![](/st0052-01.png)
+
+一切正常！
+
+## 9. 总结展望
+
+目前流行 Arduino 单片机的配置还是比较低的，可能难以运行 WASM 程序。不过可以乐观估计 Arduino Nano 33 将会很快普及。而且，Wasm3 不仅仅可以支持 Arduino，还可以支持树莓派 Pico（淘宝价格30元）。因此，从长远看 WASM 是一个兼具灵活性和性价比的可选方案。