凹语言是国内首个面向WebAssembly设计通用编程语言,也是目前被 CNCF基金会wasm全景图 收录的的唯一一个来自中国的开源编程语言项目。
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
- 安装凹语言版本:
go install wa-lang.org/master
- 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
下面是 Wasm3 运行在 iOS 的截图:
Arduino-wasm 则是运行在 Arduino Nano 33 等开发板上的 Wasm3。
- 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。
目前(2024年底),淘宝的价格大约在200元以内。
- 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:
// 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。
syscall/arduino
包介绍
让我们看看 syscall/arduino
包的代码:
// 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。
- 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。
// 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。
- 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:
#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:
// 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。
- 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:
然后编译后上传的效果:
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:
一切正常!
- 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。