浅析MicroPython系统底层回调机制
嵌入式开发中，多数外设接口的事件通知都是通过回调函数实现的，这体现在Timer，UART，GPIO等外设。部分模块的状态通知也是通过回调实现的，比如网络状态。
常规的基于C语音的开发，ISR（中断回调函数）工作在系统进程/线程的上下文，回调通知机制容易控制。但是在MicroPython中，python应用工作在虚拟机进程的上下文，中断回调函数发生在C底层进程的上下文，C进程同python虚拟机进程是相互隔离的，所以直接的调用是不通的。
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MicroPython提供了两种方式实现C底层进程到Python虚拟机进程的通信，实现了底层回调函数到Python应用层的通知。
接下来我们以Timer模块为例，详细分析两种回调机制的原理，以便大家扩展自己的模块到MicroPython系统中，共同丰富发展python轻应用生态。
1、创建ISR线程虚拟化环境
创建并初始化ISR线程虚拟化环境，以便ISR线程能获得跟Python虚拟机进程相同的上下文。
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//1 获取并保存当前虚拟机线程状态
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void *old_state = mp_thread_get_state();
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//2 分配并设置ISR线程的状态信息，后续初始化均作用在该线程状态上
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mp_state_thread_t ts;
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mp_thread_set_state(&ts);
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//3 初始化ISR新虚拟机线程的堆栈指针, +1表示在跟指针扫描中需要包含ts信息
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mp_stack_set_top(&ts + 1);
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//4 根据ISR线程的堆栈大小设置新线程虚拟机堆栈大小，堆栈大小依赖于ISR线程堆栈，在不同的模块中该值会
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// 有所变化。(痛点1)
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mp_stack_set_limit(1024);
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//5 传递当前虚拟机线程本地和全局状态信息到新创建线程中
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mp_locals_set(mp_locals_get());
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mp_globals_set(mp_globals_get());
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//6 禁止虚拟机线程调度，防止虚拟机切换到其他MicroPython线程
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mp_sched_lock();
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//7 屏蔽内存分配
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gc_lock();
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//8 执行MicroPython APIs回调，完成C底层到Python应用层回调 (痛点2)
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mp_call_function_1_protected(callback, MP_OBJ_FROM_PTR(arg));
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//9 使能内存分配
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gc_unlock();
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//10 使能虚拟机线程调度
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mp_sched_unlock();
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//11 恢复虚拟机线程状态到第一步保存的状态
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mp_thread_set_state(old_state);
由ISR层调用到Python线程共计需要11步才能完成，并且存在两处痛点：
- 第4步需要评估ISR线程的堆栈大小来设置新线程虚拟环境的堆栈，不容易实现。
- 第8步需要根据ISR的回调参数数目确定函数调用，当有更多的回调参数时，需要把多个参数转换成字典变量进行回调。目前MicroPython提供两个回调函数：
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mp_obj_t mp_call_function_1_protected(mp_obj_t fun, mp_obj_t arg);
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mp_obj_t mp_call_function_2_protected(mp_obj_t fun, mp_obj_t arg1, mp_obj_t arg2);
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可以看出，上述方法虽然能够实现ISR到Python应用层的回调，但是需要11步才能完成且新线程的堆栈大小不容易评估。
是否可以考虑一种新的机制呢？在ISR线程把Python应用层传过来的回调函数句柄注入到虚拟机环境，ISR线程仅需要通知Python主线程，在Python主线程查询并实现回调函数，如此则不需要创建新虚拟线程。这就引入第二种回调机制：Looper-Handler模式。
2、Looper-Handler模式
MicroPython提供了mp_sched_schedule函数，允许ISR注册回调函数到虚拟机环境中。
Python主线程在解析执行py代码的时候，在不同的状态下检查虚拟机调度状态，进而判决是否需要执行回调函数。
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bool MICROPY_WRAP_MP_SCHED_SCHEDULE(mp_sched_schedule)(mp_obj_t function, mp_obj_t arg) {
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mp_uint_t atomic_state = MICROPY_BEGIN_ATOMIC_SECTION();
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bool ret;
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//1 检查调度队列是否已满，队列未满的情况下才可以继续注入回调函数
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if (!mp_sched_full()) {
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if (MP_STATE_VM(sched_state) == MP_SCHED_IDLE) {
-
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//2 设置调度状态，方便后续虚拟机主线程查询执行
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MP_STATE_VM(sched_state) = MP_SCHED_PENDING;
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}
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//3 增加调度队列的索引并注入回调函数
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uint8_t iput = IDX_MASK(MP_STATE_VM(sched_idx) + MP_STATE_VM(sched_len)++);
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MP_STATE_VM(sched_queue)[iput].func = function;
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MP_STATE_VM(sched_queue)[iput].arg = arg;
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//4 回调注入成功，返回true
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ret = true;
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} else {
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//5 调度队列已满，返回false
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ret = false;
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}
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MICROPY_END_ATOMIC_SECTION(atomic_state);
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return ret;
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}
MicroPython通过预编译参数MICROPY_SCHEDULER_DEPTH设定调度队列的深度，默认情况下为4。
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// Maximum number of entries in the scheduler
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#ifndef MICROPY_SCHEDULER_DEPTH
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#define MICROPY_SCHEDULER_DEPTH (4)
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#endif
系统封装了MICROPY_EVENT_POLL_HOOK宏定义，在REPL(交互式解释器)模式或其他情形下需要立刻执行回调函数的时候调用该宏，以触发虚拟机线程调用 mp_handle_pending(bool) ，完成对mp_handle_pending_tail函数的调用，最终实现对注入到调度队列函数的回调。
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#define MICROPY_EVENT_POLL_HOOK
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do {
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extern void mp_handle_pending(bool);
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mp_handle_pending(true);
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MICROPY_PY_USOCKET_EVENTS_HANDLER
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MP_THREAD_GIL_EXIT();
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MP_THREAD_GIL_ENTER();
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} while (0);
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// A variant of this is inlined in the VM at the pending exception check
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void mp_handle_pending(bool raise_exc) {
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if (MP_STATE_VM(sched_state) == MP_SCHED_PENDING) {
-
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mp_uint_t atomic_state = MICROPY_BEGIN_ATOMIC_SECTION();
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// Re-check state is still pending now that we’re in the atomic section.
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if (MP_STATE_VM(sched_state) == MP_SCHED_PENDING) {
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mp_obj_t obj = MP_STATE_VM(mp_pending_exception);
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if (obj != MP_OBJ_NULL) {
-
-
…
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-
}
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-
mp_handle_pending_tail(atomic_state);
-
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} else {
-
-
MICROPY_END_ATOMIC_SECTION(atomic_state);
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-
}
-
-
}
-
-
}
在lexer(词法分析器)模式下则会直接调用mp_handle_pending_tail函数实现回调触发，这里我们不做详细的分析，感兴趣的同学可以参考vm.c文件中的mp_execute_bytecode函数实现。
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// This function should only be called by mp_handle_pending,
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// or by the VM’s inlined version of that function.
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void mp_handle_pending_tail(mp_uint_t atomic_state) {
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MP_STATE_VM(sched_state) = MP_SCHED_LOCKED;
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if (!mp_sched_empty()) {
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mp_sched_item_t item = MP_STATE_VM(sched_queue)[MP_STATE_VM(sched_idx)];
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MP_STATE_VM(sched_idx) = IDX_MASK(MP_STATE_VM(sched_idx) + 1);
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—MP_STATE_VM(sched_len);
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MICROPY_END_ATOMIC_SECTION(atomic_state);
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mp_call_function_1_protected(item.func, item.arg);
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} else {
-
-
MICROPY_END_ATOMIC_SECTION(atomic_state);
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-
}
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-
mp_sched_unlock();
-
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}
总结
至此我们完成了MicroPython中两种不同的C底层到Python应用层回调机制，可以看出第二种方式仅需要调用一个函数即可实现回调注入，极大地方便了开发者。
最后我们贴出Timer模块中ISR函数的示例代码供大家参考。
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STATIC void driver_timer_isr(void *self_in) {
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driver_timer_obj_t *self = (driver_timer_obj_t*)self_in;
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if (self->callback != mp_const_none) {
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bool ret = mp_sched_schedule(self->callback, MP_OBJ_FROM_PTR(self));
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if(ret == false) {
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printf(“[utility]: schedule queue is full !!!!rn”);
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}
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}
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}
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