基于 JavaScript 开发 IoT 入门指南

原文：JavaScript for Microcontrollers and IoT
译者：蒋春华
审校/责编：屠敏，关注物联网、移动开发领域，寻求报道或投稿请发邮件tumin@youkuaiyun.com。

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如果你想入门学习如何在一个在小型 IoT 设备（例如微控制器平台）上运行 JavaScript，那么这篇文章就是为你量身定制的。

JavaScript 不仅是 Web 时代的通用语言，现在还延伸到了令人难以置信的其它地方。它是一个对初学者友好的语言（初始版本在 10 天内构建完成），现在已经无处不在：服务器、工作站、数据库，甚至还包括物联网设备。不过，由于某些微控制器固有的低端特性，使得初学者使用 JavaScript 变得有些困难。在这篇文章中，我们将会先走马观花般地看看在小型设备上运行 JavaSript 有哪些选择，然后将会挑选其中一个并让它运行在某个 JavaScript 引擎上。现在，我们一起来探索 JavaScript 的旅行吧！

简介

我始终坚信，某些事即使有实现的可能，也并不意味着它就应当被实现。我认为这也同样适用于 JavaScript。抛开 JavaScript 自身的缺陷，我认为它是一个相当合适的编程语言。不过，这不意味着它适用于所有的地方。因此，我先事先阐明我的观点：为自己的工作挑选编程语言不仅仅是一个纯粹的选择或尝试。编程语言仅仅是一个工具，工具在被设计时就有特定的使用场景和应用程序。例如，你也可以拿一个锤子来订螺丝钉（而不是钉子），其结果可能会不尽如意，甚至可能干了坏事儿。这同样适用于编程语言。JavaScript 是一个动态的、允许用户在各个版本间快速迭代的、可以完成小型自动化任务和脚本的语言（你可能在其它网站上经常看到这段话），也是一个初学者和熟悉 Java 语法的人均容易上手的语言。请先记住这个观点，我们会在下一节中对其进行阐释，现在只需要记住：将编程语言当做一个工具，并“为合适的工作挑选合适的工具”。

如果你不熟悉微控制器，你可以把它理解成一个非常老的系统：RAM 容量很小，CPU 速度非常慢，“磁盘”容量也非常小。当然，微控制器的的尺寸也各不相同，大一些的微控制器可以跑更大的系统，不过它们的目标基本是相同的：微控制器通常被设计用于提供专用的编程功能，且保持成本低廉、尺寸小巧。更大的系统，例如你的智能手机中所使用的系统，功能更加强大，但是却更加昂贵。当我们在 IoT 热潮中看到有越来越多的微控制器时请不要那么吃惊，因为它们一方面比大型系统更加便宜，另一方面由于越来越成熟的技术使其也变得更加强大和复杂。因此，现在某些价格低廉的产品（例如千篇一律的物联网水壶）也具有强大的编程能力。

依然对微控制器没什么概念？我们现在来直观感受一下。在本文中，我们是使用的微控制器是一个 32 位的 120MHz 的 CPU，其 RAM 是 128KB，Flash 存储空间是 1MB。更让人哭笑不得的是，这已经是相当强大的微控制器了，有许多 8 位的微控制器，它们只有 0.375KB 的 ROM，16 字节的 RAM！这些微控制器主要用于超低功耗、超低成本的应用中。我们在本文中需要做的事（运行 JavaScript 引擎）需要更多强大的功能。

需要说明的是，时至今日，微控制器的定义已经有些模糊。在上世纪九十年代，微控制器通常指的是集成了少量 RAM 和 ROM 的小型嵌入式 CPU。如今，大家谈论的都是片上系统（SoC）。片上系统是用于描述集成了 CPU、RAM、ROM 甚至一些外设（例如 GPS 接收器）的高度耦合的硬件设计的另一种方式。我们在本文中将交替使用这两种术语。

为什么选择 JavaScript？

当提到嵌入式开发时，你通常会想到如何在硬件层面下手。例如，如果你需要读取某种传感器，你会将传感器的值用某个公式进行转换，然后将其结果显示在某个地方。你会选择带有模数转换器（ADC）且能驱动显示设备的微控制器。对于所有满足你功能的微控制器，越小价格越便宜。当然，越小的控制器，你在编程的时候受到的限制就越多。对于某些非常小的设备，你可能需要使用汇编语言；如果你随后打算切换到其它平台上去，则会加大程序移植的难度。通常，你需要挑选一个满足你的需求的较小的、但不是最小的平台。你应当考虑到将来的扩展性或者新的需求，因此通常需要在硬件层预留一些空间。

当你使用稍大的微控制器时，一些大门正在为你开启。第一道大门通常是 C 语言。使用 C 代替汇编，主要有两点好处：可移植性和易用性（包括可读性和易于维护性）。C 语言被设计为”可移植的汇编语言“，是大多数小型微控制器（除极小的微控制器之外）的理想编程语言。当大小和功能继续增加的时候，更多大门开始打开：C++、操作系统（FreeRTOS, Nuttx 等），甚至包括以太网或者WiFi连接。伴随着这些选择，可以使用的编程语言越来越多。某些编程语言，由于它们自身你的语法特性，不能被提前编译成机器代码。JavaScript 就是其中之一。那么，我们首先需要问自己的是”JavaScript 引擎能运行在我们的平台上吗？“。答案是：能！今后将在随后看到。

与汇编、C、C++ 相比，更上层语言最大的优势在于它们的安全性。在 macOS 上面，一点细微（off-by-one）的错误通常都会导致段错误；在微控制器上面，它甚至会造成整个系统级崩溃。在微控制器上，程序的调试也非常受限，所以任何可以有助于编写安全代码的方法都是非常有帮助的。更上层的语言在这一方面的好处非常明显。

再来看看在微控制器中以这种方式运行代码的另一个好处。通常，微控制器会从 ROM 中读取代码，而 ROM 中的数据是通过特殊的方法写入的，因此改变它的值非常不方便。这限制了代码更新或者程序不同版本之间的快速迭代。解释器可以读取 RAM 或者 ROM 上的程序，使无需烧写 flash 就能更新代码成为可能。当然，这需要你自己权衡利弊：系统重启后 RAM 的数据不能恢复，因此程序需要每次重新加载；由于 RAM 大小受限，因此程序也必须非常小。上层语言富有表现力的特性在这方面具有很多的帮助：只需要几行简单的代码，就能表达复杂的行为和逻辑。

这些好处在大多数高级、解释型或实时编译的语言间均存在，但是 JavaScript 自身还有一些优势。首先，JavaScript 有大量的社区以及大量的库。虽然由于缺少系统级别的支持（主要是 Node.js 或者浏览器）大量的库不能工作在微控制器上，但是依然有一部分库是可以的，并且非常有用。由于语法的相似性，C 和 C++ 程序员可以很快速地学会 JavaScript，因此习惯嵌入式编程的开发者在阅读 JavaScript 代码库的时候只会遇到少量的麻烦。此外，回忆一下前面的简介，我们提到 JavaScript 被设计用于为通用自动化任务和快速重复任务编写小脚本。微控制器通常也用于这种场景中 —— 为自动化任务或数据上报任务编写小片段与硬件设备交互！

总结一下我们考虑使用 JavaScript 或者其它流行解释型语言为微控制器编程的主要原因：

• 上层，安全：没有 off-by-one 崩溃；更容易处理错误、复杂的数据类型和类型转换；更具有表线性。
• 快速迭代：可以从 RAM 中加载脚本，不需要每次测试时都烧写。可以远程更新。
• 大量的社区和库（大多数需要调整后才能运行到嵌入式平台上）：bundler 和 minifier 可用于确保代码最小化。
• C、C++ 以及 Java 相似的语法。

缺点

当然，选择 JavaScript 也有一些缺点。首先，JavaScript 在设计时就未考虑运行在小型、内存受限的设备上。因此，语言本身的构建器会消耗大量内存。大多数 JavaScript 解释器都至少需要 150KB 的 ROM 和 32KB 的 RAM。如果你的设备的资源比这还小，那还是继续使用 C/C++ 吧，或者使用为小型系统而设计的脚本语言，例如 Lua。

你可能还会发现，让 JavaScript 引擎保持在一个合理的尺寸会限制某些高级的语言特性，我们将在后续的例子中讨论它。

最后，即使使用了 JavaScript 或者其它解释语言，你也逃不掉 C 或者 C++。除非你使用的是一个你所挑选的 JavaScript 引擎所完全支持的平台，否则将平台与 JavaScript 集成在一起需要手工进行调节。

在下决定之前，需要仔细权衡优势和劣势。在这里，我们这样做是只为了好玩。那么，我们需要在微控制器上使用 JavaScript 吗？YES！看看它能带我们遨游到哪里吧！

选择

我们将简单看看在硬件方面和软件方面有哪些选择。对于硬件方面，我们主要看两个选择：近期非常流行的 ESP8266 以及 Particle Photon。这二者都相当强劲，且均支持 WiFi 连接。太酷了！而且它们还非常便宜：ESP8266 价格低至 7 美金（注：淘宝 18 元就能买到了！）；Particle Photon 当前也只需要 19 美金。当然，如果你计划使用大量设备，价格甚至更低。

还有一些其它的选择，例如更新的 ESP32、32 位的 PIC、Espruino、使用 ARM CPU 的 ST 开发板，甚至包括 Arduino，例如基于 Intel Curie 的 Arduino 101。说明一下，大多数 Arduino 开发板都不够强大，无法运行任何 JavaScript 引擎，而 Arduino 101 是个例外。

还有另一个非常有意思的选择 —— 树莓派 Zero W，它比上面所提到的都强大很多，封装了一个 1GHz 的 ARM CPU，512 MB 的 RAM 和 WiFi 连接，且价格低至 10 美金。由于具有如此高的配置，树莓派 Zero 可以运行 Linux。因此，你可以使用 Node.js 或者其它强大的 JavaScript 引擎。我们主要关注不足以运行 Node 和 Linux 的更低端设备。

在这一系列文章中，我们挑选的是 Particle Paoton 和 ESP8266，因为它们非常易于使用。

在软件方面，我们主要看一看 Jerryscript 和 Espruino。Jerryscript 是由三星为小型嵌入式设备而开发的 JavaScript 引擎；Espruino 是微控制器 Espruino 套件的一个 JavaScript 引擎。这两个引擎的主要目标都是在兼容 ECMAScript 5.1 的同时保持代码简洁，使用尽可能少的 RAM 和 ROM。还有一些其它的选择，例如 Duktape、V7 以及当前正在积极开发的 MuJS。

在本文中，我们主要将精力集中在运行 JerryScript 的 Particle Photon 上面。今后的文章中，我们再看 ESP8266 和 Espruino。

开始动手！

Particle Photon

Particle Photon 是一个带有 WiFi 功能的 SoC，具有大量的 I/O 引脚，支持若干有线协议（I2C、CAN、SPI 和 USB），它将一个 120MHz 的 ARM Cortex-M3 微控制器与一个 Cypress WiFi 芯片结合在一起，携带了 1MB 的 flash 存储空间和 128 KB 的 RAM。它支持低功耗模式，是需要使用 WiFi 连接的嵌入式理想产品。

收到 Photon 后，我脑海中的第一个印象是它太精致了，包装非常棒，PCB 一看就是经过精心设计的。Photon 出厂已经烧写了默认的 Particle 的固件，我们可以直接使用 Particle 的工具与之交互，编程和配置都非常方便。因此，当你将 Photon 从盒子中拿出的那一刻起，你就可以直接将它连接到你的 PC 中，然后开始骇客开发了。衷心感谢 Particle 的小伙伴所做的优秀工作。