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最大化 MicroPython 速度

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发表于 2022-1-20 09:53:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
最大化 MicroPython 速度

内容


, ]5 @! m1 b" j6 P- q* u, B; `- `

本教程介绍了提高 MicroPython 代码性能的方法。涉及其他语言的优化在别处有介绍,即使用 C 编写的模块和 MicroPython 内联汇编器。

开发高性能代码的过程包括以下应按所列顺序执行的阶段。

  • 为速度而设计。

  • 编码和调试。

    , i) O7 L7 s6 Q$ f, `6 j% S

优化步骤:

  • 确定代码中最慢的部分。

  • 提高 Python 代码的效率。

  • 使用本机代码发射器。

  • 使用毒蛇代码发射器。

  • 使用特定于硬件的优化。

    ) ~; p6 F' q5 ?5 u
为速度而设计

一开始就应该考虑性能问题。这涉及查看对性能最关键的代码部分,并特别注意它们的设计。当代码经过测试时,优化过程就开始了:如果设计一开始是正确的,优化将很简单,实际上可能是不必要的。

算法

设计任何性能例程的最重要方面是确保采用最佳算法。这是教科书而不是 MicroPython 指南的主题,但有时可以通过采用以其效率着称的算法来实现惊人的性能提升。


) ^, C" y# J3 N3 p/ S& {内存分配

要设计高效的 MicroPython 代码,有必要了解解释器分配 RAM 的方式。当一个对象被创建或变大时(例如,一个项目被添加到一个列表中),必要的 RAM 从一个称为堆的块中分配。这需要大量时间;此外,它有时会触发一个称为垃圾收集的过程,该过程可能需要几毫秒。

因此,如果对象只创建一次并且不允许其大小增长,则可以提高函数或方法的性能。这意味着该对象在其使用期间持续存在:通常它将在类构造函数中实例化并在各种方法中使用。

这将在下面详细介绍控制垃圾收集

% d) _4 V  p; _; Q( z2 G
缓冲器

上述示例是需要缓冲区的常见情况,例如用于与设备通信的缓冲区。典型的驱动程序将在构造函数中创建缓冲区并在其将重复调用的 I/O 方法中使用它。

MicroPython 库通常提供对预分配缓冲区的支持。例如,支持流接口的对象(例如文件或UART)提供了read() 为读取数据分配新缓冲区的 readinto() 方法,也提供了将数据读入现有缓冲区的方法。

3 P6 ^* M0 y) T  d+ Z0 v
浮点

一些 MicroPython 端口在堆上分配浮点数。其他一些端口可能缺少专用的浮点协处理器,并且在“软件”中以比整数低得多的速度对它们执行算术运算。在性能很重要的地方,使用整数运算并将浮点的使用限制在性能不是最重要的代码部分。例如,快速将 ADC 读数作为整数值捕获到数组中,然后才将它们转换为浮点数以进行信号处理。


6 I* `* U" {; ?( X- P数组

考虑使用各种类型的数组类作为列表的替代方法。该array模块支持各种元素类型,其中包含 Python 内置bytesbytearray类支持的 8 位元素。这些数据结构都将元素存储在连续的内存位置。再次避免在关键代码中分配内存,这些应该预先分配并作为参数或绑定对象传递。

当传递对象的切片(例如 bytearray实例)时,Python 创建一个副本,其中涉及与切片大小成比例的大小分配。这可以通过使用memoryview对象来缓解。 memoryview 它本身在堆上分配,但它是一个小的、固定大小的对象,无论它指向的切片的大小如何。

  1. ba = bytearray(10000)  # big array; t8 m$ e& K! L  m' l0 U3 _7 I
  2. func(ba[30:2000])      # a copy is passed, ~2K new allocation
    ) |; L4 ^  o0 h! t. q5 D* b
  3. mv = memoryview(ba)    # small object is allocated
    ! b/ q: |+ ]3 E% j$ n
  4. func(mv[30:2000])      # a pointer to memory is passed
复制代码
5 h( ?- n1 `+ H6 m& A* k! Z% l
' m* d" R- _+ r6 f4 |7 V" F* D
$ a( r: u+ ^* C' ]2 k( x4 o

A memoryview 只能应用于支持缓冲区协议的对象 - 这包括数组但不包括列表。需要注意的是,虽然 memoryview 对象处于活动状态,但它也会使原始缓冲区对象保持活动状态。因此,内存视图并不是万能的灵丹妙药。例如,在上面的例子中,如果你用完 10K 缓冲区并且只需要 30:2000 的那些字节,最好制作一个切片,让 10K 缓冲区去(准备好垃圾收集),而不是制作长期内存视图并保持 10K 阻塞以进行 GC。

尽管如此,memoryview对于高级预分配缓冲区管理来说,它是必不可少的。 readinto() 上面讨论的方法将数据放在缓冲区的开头并填充整个缓冲区。如果您需要将数据放在现有缓冲区的中间怎么办?只需在缓冲区的所需部分创建一个内存视图并将其传递给 readinto().

9 G7 n* `# K! f, c# e
( y7 I: H8 F5 g8 Q, D
识别最慢的代码部分

这是一个称为分析的过程,在教科书和(对于标准 Python)有各种软件工具支持。对于可能的更小的嵌入式应用的类型要在MicroPython平台上运行的最慢的函数或方法,通常可以通过明智地使用的定时来建立ticks 的中记录的功能组 utime。代码执行时间可以 ms、us 或 CPU 周期来衡量。

以下允许通过添加@timed_function 装饰器对任何函数或方法进行计时 :

  1. def timed_function(f, *args, **kwargs):# ?) C( \3 q4 U6 T) C3 r  v
  2.     myname = str(f).split(' ')[1]2 o- |5 c. i5 S3 D+ `3 i4 N
  3.     def new_func(*args, **kwargs):
    4 b0 V6 `8 W0 j$ l5 X
  4.         t = utime.ticks_us()
    3 g  g. N& B7 G+ \' m) {
  5.         result = f(*args, **kwargs)6 b, c7 J7 O+ H- P% n+ d4 _# K
  6.         delta = utime.ticks_diff(utime.ticks_us(), t)
    " H  u6 \) s6 N
  7.         print('Function {} Time = {:6.3f}ms'.format(myname, delta/1000))
    ( _$ @9 r( \8 }: M: N) i
  8.         return result6 A+ [$ x9 O2 Y2 o0 v# h
  9.     return new_func
复制代码

2 e( ?7 b; R! N3 t" r. _% A% W8 h$ ]0 D1 j7 F2 c9 U/ Q

5 T1 V3 G' O" M. O7 c% x
& M5 ?; e- ~! t' u) J; E: E  t1 E
MicroPython 代码改进const() 声明

MicroPython 提供了一个const() 声明。这与#define在 C 中的工作方式类似,因为当代码被编译为字节码时,编译器用数值代替标识符。这避免了在运行时进行字典查找。的参数const()可以是任何在编译时计算为整数的东西,例如0x100或 1 << 8.

9 t- S, g7 k- i' V) h, J$ c0 }
缓存对象引用

在函数或方法重复访问对象的情况下,通过将对象缓存在局部变量中可以提高性能:

  1. class foo(object):  G: H; y5 {  h3 Y* y9 ?
  2.     def __init__(self):
    6 D1 u" p4 Z( s. k0 x1 L9 \4 @6 b; S% E
  3.         self.ba = bytearray(100)
    ; q& Y8 {1 x3 J1 U: z
  4.     def bar(self, obj_display):
    6 b4 G2 t/ V! ~0 K
  5.         ba_ref = self.ba
    ; s3 `5 A. c% S& X% k8 F
  6.         fb = obj_display.framebuffer: C; o, N: f/ G4 c( h: k8 d6 F% V
  7.         # iterative code using these two objects
复制代码
0 t/ O6 f) @& M! v) o+ y

2 I. D- ]- N, A' }% C/ ^- k& e6 @6 z4 `6 A

这避免了 在方法体中反复查找 self.ba 和查找的需要。 obj_display.framebuffer bar().


2 R) b6 W7 `* b控制垃圾收集

当需要分配内存时,MicroPython 会尝试在堆上定位一个足够大的块。这可能会失败,通常是因为堆中堆满了不再被代码引用的对象。如果发生故障,称为垃圾收集的过程会回收这些冗余对象使用的内存,然后再次尝试分配——这个过程可能需要几毫秒。

通过定期发布gc.collect(). 首先在实际需要之前进行收集会更快 - 如果经常进行,通常大约为 1 毫秒。其次,您可以确定代码中使用该时间的点,而不是在随机点(可能在速度关键部分)发生更长的延迟。最后定期执行收集可以减少堆中的碎片。严重的碎片会导致不可恢复的分配失败。


$ b! |5 r  t( K5 d+ o* f& S

: a. b3 X7 V9 i; F4 s本机代码发射器

这会导致 MicroPython 编译器发出本机 CPU 操作码而不是字节码。它涵盖了 MicroPython 的大部分功能,因此大多数功能不需要修改(但见下文)。它通过函数装饰器调用:

  1. @micropython.native
    ' r8 ~& q* a2 {$ k. r" X: o
  2. def foo(self, arg):
    " R) t- b7 x5 Z6 S! Q5 C
  3.     buf = self.linebuf # Cached object
    6 E8 h1 ^5 h( @1 X
  4.     # code
复制代码
! R+ x( w0 I# m8 A
1 z  a2 B8 N3 X& a8 D

! c" r% J2 D; j1 g* i9 s

本机代码发射器的当前实现存在某些限制。

  • 不支持上下文管理器(with 语句)。

  • 不支持生成器。

  • 如果raise使用,则必须提供参数。

    2 D9 c" |& g( ~

提高性能(大约是字节码的两倍)的代价是编译代码大小的增加。

- W3 s4 j  J8 w, v5 |6 Z
Viper 代码发射器

上面讨论的优化涉及符合标准的 Python 代码。Viper 代码发射器不完全兼容。它支持特殊的 Viper 本地数据类型以追求性能。整数处理是不合规的,因为它使用机器字:32 位硬件上的算术以 2**32 为模执行。

像 Native 发射器 Viper 产生机器指令,但会执行进一步的优化,显着提高性能,特别是对于整数算术和位操作。它是使用装饰器调用的:

  1. @micropython.viper
    " A( t& N; D4 {+ t: |' K$ G* h
  2. def foo(self, arg: int) -> int:
    * l/ B# q7 `. n: q. u+ c
  3.     # code
复制代码

8 c3 X: H9 A; T5 _. t8 |! C
+ W! z7 P# R  {2 d- [' I& i% B7 A* k# a

正如上面的片段所示,使用 Python 类型提示来辅助 Viper 优化器是有益的。类型提示提供有关参数和返回值的数据类型的信息;这些是在这里 PEP0484正式定义的标准 Python 语言功能。Viper 支持它自己的一组类型,即int, uint(无符号整数)ptr, ptr8, ptr16 和ptr32。 ptrX 下面讨论这些类型。目前该 uint 类型有一个用途:作为函数返回值的类型提示。如果这样的函数返回, 0xffffffffPython 会将结果解释为 2**32 -1 而不是 -1。

除了本机发射器施加的限制外,还适用以下限制:

  • 函数最多可以有四个参数。

  • 不允许使用默认参数值。

  • 可以使用浮点,但没有优化。

      L6 Q  i0 S9 J, O( i

Viper 提供了指针类型来帮助优化器。这些包括

  • ptr指向对象的指针。

  • ptr8指向一个字节。

  • ptr16指向一个 16 位半字。

  • ptr32 指向一个 32 位机器字。


    ) u. O+ b7 E1 \  w8 }( L8 L1 @

Python 程序员可能不熟悉指针的概念。它与 Pythonmemoryview对象的相似之处在于它提供对存储在内存中的数据的直接访问。使用下标符号访问项目,但不支持切片:指针只能返回单个项目。其目的是提供对存储在连续内存位置中的数据的快速随机访问 - 例如存储在支持缓冲区协议的对象中的数据,以及微控制器中的内存映射外设寄存器。应该注意的是,使用指针编程是危险的:不执行边界检查,编译器没有采取任何措施来防止缓冲区溢出错误。

典型用法是缓存变量:

  1. @micropython.viper* ~& |# x" L( W) H  I2 y. n- h
  2. def foo(self, arg: int) -> int:
    7 s! Q7 T( _( U" q
  3.     buf = ptr8(self.linebuf) # self.linebuf is a bytearray or bytes object
    7 u2 i. C# \' ]$ O, i) U: O
  4.     for x in range(20, 30):4 a9 ?+ W2 b# A1 q* H, V
  5.         bar = buf[x] # Access a data item through the pointer
    - _, _) a$ p  _7 c$ V! B
  6.         # code omitted
复制代码

# K% S2 t7 q* V' ^
  G4 l& ^; {+ ~% r( H
8 ^+ W: D$ q0 l

在这种情况下,编译器“知道”这buf 是一个字节数组的地址;它可以发出代码来快速计算buf[x]运行时的地址。在使用强制转换将对象转换为 Viper 原生类型的情况下,这些应该在函数开始时执行,而不是在关键的计时循环中执行,因为强制转换操作可能需要几微秒。铸造规则如下:

  • 铸造运营商目前: int, bool, uint, ptr, ptr8, ptr16 和 ptr32.

  • 转换的结果将是一个本地 Viper 变量。

  • 强制转换的参数可以是 Python 对象或本机 Viper 变量。

  • 如果参数是一个本地 Viper 变量,那么 cast 是一个无操作(即在运行时没有任何成本),它只是更改类型(例如 从uint到ptr8),以便您可以使用此指针存储/加载。

  • 如果参数是 Python 对象并且强制转换为int 或 uint,则 Python 对象必须是整数类型并返回该整数对象的值。

  • bool 类型转换的参数必须是整型(boolean 或 integer);当用作返回类型时,viper 函数将返回 True 或 False 对象。

  • 如果参数是 Python 对象并且强制转换是ptr, ptr, ptr16 或ptr32,则 Python 对象必须具有缓冲区协议(在这种情况下返回指向缓冲区开头的指针)或者它必须是整数类型(其中如果返回该整数对象的值)。

    # r- d/ @. m$ ?2 A7 p( s# c* [% a  p: @

写入指向只读对象的指针将导致未定义的行为。

以下示例说明了如何使用 ptr16强制转换来切换引脚 X1n 次:

  1. BIT0 = const(1)' X2 _: R+ H  A7 }
  2. @micropython.viper* g; o9 K5 B- m1 E. M$ W* G- q5 @
  3. def toggle_n(n: int):
    ( o7 J& y% r8 w8 u, O4 ]/ |4 T/ `$ V
  4.     odr = ptr16(stm.GPIOA + stm.GPIO_ODR)# n- W& A" x0 Y
  5.     for _ in range(n):
    $ w( ^4 Q/ f4 N% A4 ^: c
  6.         odr[0] ^= BIT0
复制代码
- g3 H: A  q7 D* u& f$ q* {

+ H% y, X+ l9 A$ d& Y
. T8 E. V7 m6 P+ E4 S

三个代码发射器的详细技术说明可以在 Kickstarter 上找到这里Note 1 和这里 Note 2


! F; B$ f; T  ]3 L直接访问硬件
笔记

本节中的代码示例是针对 Pyboard 给出的。然而,所描述的技术也可以应用于其他 MicroPython 端口。


3 h+ Q. O3 i2 I# `' W+ c& r

这属于更高级的编程范畴,涉及目标 MCU 的一些知识。考虑在 Pyboard 上切换输出引脚的示例。标准的方法是写

mypin.value(mypin.value() ^ 1) # mypin was instantiated as an output pin4 p. a$ j4 M! Z6 ~

5 Z  y0 P0 X. a7 _& B

这涉及对Pin实例 value() 方法的两次调用的开销。通过对芯片的 GPIO 端口输出数据寄存器 (odr) 的相关位执行读/写操作,可以消除这种开销。为方便起见,该stm 模块提供了一组常量,提供相关寄存器的地址。引脚 P4(CPU 引脚A14)的快速切换- 对应于绿色 LED - 可以执行如下:

  1. import machine
    4 L- G9 D  q% A/ A* _
  2. import stm
    1 u, N7 Q" M  A1 \8 Y% G
  3. + w2 B; g+ }0 b* E$ W
  4. BIT14 = const(1 << 14)
    $ A; B: x6 b1 z9 e0 _
  5. machine.mem16[stm.GPIOA + stm.GPIO_ODR] ^= BIT14
复制代码

, F9 s( ^3 i* O9 U2 F1 T4 G7 F: {9 y5 W2 ?3 _* l, Q4 e% C
$ ?& r+ f$ U/ M. M! U8 D6 J* b; I

( R: y9 `! h. j, q' ~7 F
+ z. |1 H, \6 N. y" L& _; h$ c# o
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发表于 2022-7-8 16:44:48 | 显示全部楼层

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发表于 2023-4-4 14:39:22 | 显示全部楼层

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Absolutely with you it agree. In it something is also to me it seems it is very excellent idea. Completely with you I will agree.
- u4 O) r. o$ M% W0 [- v+ ]( T* c4 V# q2 ]0 z/ m+ b
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发表于 2023-5-21 07:50:03 | 显示全部楼层

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Many thanks for the information, now I will not commit such error.
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发表于 2024-2-27 15:02:59 | 显示全部楼层

主題:MicroPython 库的应用.

DavidLop ??? 2022-5-23 05:145 z, j6 u" Q8 ?2 l
You have hit the mark. It seems to me it is very good thought. Completely with you I will agree.
# d2 w7 B, V' D/ z
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