nanopb(一)——概述和介绍

最新推荐文章于 2025-04-30 14:30:06 发布

一只搬砖的猹

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文章标签：单片机嵌入式硬件 c语言嵌入式 github nanopb protobuf

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/qq_39642740/article/details/145017358

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1. 背景与概述

nanopb 是一个为嵌入式系统和资源受限设备（如微控制器、传感器等）设计的轻量级 Protocol Buffers（Protobuf）实现。Protobuf 是一种由 Google 开发的序列化格式，广泛用于高效存储和交换数据。标准的 Protobuf 库在内存和计算资源上有一定要求，而 nanopb 则是其精简版，旨在减少内存占用和提高编码/解码的效率，特别适合在微控制器和嵌入式系统中使用。

2. 主要特性与优点

a. 轻量级

nanopb 被设计为一个高效的、低开销的库，非常适合资源受限的设备。它不需要大的内存或计算能力，可以在像 ARM Cortex-M 等处理能力较弱的处理器上运行。

b. 内存友好

nanopb 的内存占用非常小。它的消息结构在序列化时以紧凑的二进制格式存储，比文本格式（如 JSON 或 XML）更加节省存储空间。
它支持流式序列化和反序列化，即可以一边处理数据一边将其传输或存储，而不需要一次性加载全部数据。

c. 高效的序列化和反序列化

nanopb 的序列化和反序列化过程经过优化，能够在内存和处理器有限的环境中高效运行。它特别适合需要频繁传输数据的小型设备。

d. Protobuf 兼容

nanopb 保持与标准 Protobuf 的兼容性。虽然功能有所简化，但它支持大多数常见的 Protobuf 数据类型（如整数、字符串、枚举、嵌套消息等）和特性。
由于 Protobuf 是 Google 的开源项目，许多其他应用和语言也支持 Protobuf，因此使用 nanopb 可以与其他系统进行高效的数据交换。

e. C 语言实现

nanopb 是用 C 语言编写的，适合直接嵌入到嵌入式系统中。它也支持通过 C++ 开发的环境进行集成。

f. 灵活的内存管理

它提供了灵活的内存管理选项，允许开发者根据目标平台的内存限制来优化应用。例如，可以使用内存池或裸机内存管理方法。

g. 跨平台支持

虽然 nanopb 是为嵌入式平台设计的，但它也支持在其他平台上工作。它能够在 Linux、Windows、macOS 等平台上进行开发和测试，方便开发者在不同环境下开发和调试代码。

3. 核心功能

a. Protobuf 消息定义

nanopb 使用与标准 Protobuf 相同的 .proto 文件来定义消息结构。你可以通过 .proto 文件定义消息的字段、类型、嵌套结构等。
一个典型的 .proto 文件如下所示：

syntax = "proto2";

message Person {
    required string name = 1;
    required int32 id = 2;
    optional string email = 3;
}

b. 生成 C 代码

使用 protoc 编译器（Protobuf 编译器）生成与 nanopb 兼容的 C 语言代码。你可以通过以下命令将 .proto 文件编译成 C 代码：

protoc --nanopb_out=. mymessage.proto

这会生成与 Protobuf 数据结构相对应的 C 结构体和函数，方便你在嵌入式环境中进行序列化和反序列化操作。

c. 序列化和反序列化
nanopb 提供了简单的 API 来序列化（编码）和反序列化（解码）消息。例如，下面是如何使用 nanopb 序列化和反序列化 Person 消息的代码。

#include "person.pb.h"

// 创建并初始化消息
Person person = Person_init_zero;
strncpy(person.name, "John Doe", sizeof(person.name));
person.id = 1234;
strncpy(person.email, "johndoe@example.com", sizeof(person.email));

// 序列化消息
uint8_t buffer[128];
pb_ostream_t stream = pb_ostream_from_buffer(buffer, sizeof(buffer));
if (!pb_encode(&stream, Person_fields, &person)) {
    // 处理编码错误
}

// 反序列化消息
Person decoded_person = Person_init_zero;
pb_istream_t istream = pb_istream_from_buffer(buffer, stream.bytes_written);
if (!pb_decode(&istream, Person_fields, &decoded_person)) {
    // 处理解码错误
}