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用 BBC micro:bit 學 Python：免費、免安裝的完全入門指南

作：Alan Wang, Feb 2021

本指南採用 GNU 3.0 通用公共授權

關於本指南

這份指南不是替兒童而寫，而是有興趣使用 BBC micro:bit 開發板為媒介來學習 Python 語言的成人或青少年。

現有的書籍或網路教材，在談及 micro:bit 的 Python 教學時，多半著重在 micro:bit 的功能和相關的範例，卻鮮少深入 Python 的語言特色。這份指南的目的是借用 micro:bit 的硬體特色來介紹 Python 的重要概念，好讓學習者將來能將之應用在正式的 Python 程式開發。

至於 micro:bit 是什麼、為什麼現在要學 Python，這些在網路上已經有非常多討論，這裡就不再贅述。

閱讀本指南所需的準備

本指南會使用 2020 年 10 月後上市的新版 micro:bit V2，但大部分程式碼也適用於 V1。筆者推薦使用 V2，因為價格相近但規格更佳，有更多記憶體執行 Python 直譯器。

你也需要 micro USB 線以及一台有 Google Chrome 瀏覽器的電腦，就這樣。不須安裝其他東西。

Python 編輯器

打開 https://python.microbit.org/v/2 ：

這是 micro:bit 官方提供的線上版瀏覽器，雖然簡單，但就本指南的目的來說夠用了。後面有機會的話，筆者會在談如何使用其他 Python 編輯器。

畫面上方有五個大按鈕：

• Download/Flash (下載/燒錄)
• Connect/Disconnect (連線/解除連線)
• Load/Save (上載檔案/存檔)
• Open Serial/Close Serial (打開 REPL/關閉 REPL)
• Help (線上說明)

按鈕的內容會因與 micro:bit 連線與否而有所不同。

與 micro:bit 連線和燒錄第一支程式／韌體

Python 是直譯式語言，這表示程式運作的地方必須裝有直譯器。幸好，官方編輯器簡化了這個流程：你從編輯器下載的 .hex 程式檔中，有一部分會包著 micro:bit 用的 Python 韌體，剩下的則是你寫的程式（又稱草稿碼）。即使你的 micro:bit 之前並沒有安裝 Python 韌體，只要燒錄一次程式就會自動完成韌體安裝。這也使得第一次燒錄──或者在使用過其他語言後重新燒錄──Python 會花較久的時間。

micro:bit 使用的 Python 實際上是 Micropython──設計給記憶體有限的開發版的 Python 版本。Micropython 本身就有好幾種版本，針對不同類型的開發板而作，不過它們都是是以 Python 3.4 為基礎。所以，Python 3.4 擁有的核心語言功能，在 micro:bit 都是可以使用的。

那麼，我們就來燒錄一支程式，直接用官方編輯器一打開就出現的程式即可：

# Add your Python code here. E.g.
from microbit import *


while True:
    display.scroll('Hello, World!')
    display.show(Image.HEART)
    sleep(2000)

將 micro:bit 接上電腦，然後按畫面中的 Connect，讓 Chrome 瀏覽器跟你的裝置連線：

連線後按 Flash。等待程式燒錄作業結束。

較近期的 micro:bit 的韌體支援 WebUSB，讓瀏覽器能跟 USB 裝置連線，這麼一來編輯器就能直接下載程式到 micro:bit 上。現在市售的 micro:bit 應該都有新韌體了；但若你沒辦法連線，請用 Download 下載 .hex 檔後複製／貼上到 micro:bit 的 USB 磁碟區。

REPL 互動介面

想學 Python，就不可不知 REPL（Read-Eval-Print Loop，讀取-求值-輸出循環）。簡單說，這是 Python 直譯器的互動介面，能讓開發者用來做簡單的測試、探索 Python 的功能、讀取程式的回應等等，不管在電腦或開發板上，對程式開發者來說都是很實用的工具。因此後面在講解 Python 入門時，我們會先在 REPL 下來示範。

在 micro:bit 連線的情況下，點編輯器的 Open Serial，然後點按鈕下方右側的「Send CTRL-C for REPL」或直接在鍵盤上按 Ctrl+C。你應該會看到以下畫面：

這幾行文字

MicroPython v1.13 on 2020-12-21; micro:bit v2.0.0-beta.3 with nRF52833
Type "help()" for more information.
>>> 

就是 REPL 的提示，類似 Windows 命令提示字元或 Unix 的終端機。它告訴我們 Python 直譯器的版本，並等待我們輸入指令。

現在於 >>> 後面輸入 1 + 2，並按 Enter：

MicroPython v1.13 on 2020-12-21; micro:bit v2.0.0-beta.3 with nRF52833
Type "help()" for more information.
>>> 1 + 2
3

可以發現 Python 直譯器解讀了你輸入的程式，並自動算出答案。

Python 基礎：運算式

在 Python 中，程式碼可分為兩類：陳述（statement）與運算式（expression）。這兩者都會執行某個功能，但運算式本身也代表某個值，比如前面的 1 + 2 會得到 3。

運算式可以放在其他運算式中，而 Python 有很多會傳回值的東西都可以當成運算式的一部分。最簡單的運算式由值和**運算元（operator）**構成，例如上面的算式有數字 1 和 2，中間是加號運算元（+）。

我們先來看 Python 常用的運算元：

功能	Python 運算元
加	+
減	-
乘	*
除	/
整數除	//
餘數除	%
次方	**
小括號	()

在 REPL 中試試看：

>>> 2 + 3
5
>>> 2 - 3
-1
>>> 2 * 3
6
>>> 10 / 3
3.333333
>>> 10 // 3
3
>>> 10 % 3
1
>>> 2 ** 3
8
>>> 10 / (2 + 3)
2.0

數字與運算元之間一定要有空格嗎？不用，甚至打一堆空格都無所謂，但留一個空格是最美觀的。

Python 基礎：資料型別

前面的運算式，其實只使用到數字而已。而在 Python 中，不同的資料有不同的型別（type），而型別決定了資料（以及你對資料）能做哪些事。

Python 最基本的幾種型別為：

型別 | 範例 int (整數) | 42 float (浮點數) | 3.14159 str (字串) | "test" bool (布林值) | True/False NoneType (無值) | None

整數與浮點數

以上面的運算元來說，整數（無小數點）和浮點數（有小數點）是可以放在一起運算的，而取決於運算元，結果會是整數或浮點數。例如，整數用 / 相除會得到浮點數, 用 // 相除卻會得到整數。

如果用 // 時算式裡有浮點數呢？這樣就還是會得到浮點數：

>>> 10 // 3.0
3.0

字串

字串前後必須用雙引號 (") 或單引號 (') 括起來：

>>> "This is a string"
'This is a string'

Python 預設是用單引號，不過大多時候沒有差別，取決於個人習慣。單引號看起來比較簡潔，但雙引號在多數語言是表示字串的通用用法。其實 Python 還有幾種其他代表字串的變形形式，不過一開始不需要知道。

當然，字串內容可以打任何語言。不過 micro:bit 的網頁編輯器打中文有點容易亂跳，所以還是打英文吧。

字串和整數、浮點數最大的差別，在於它們不能放在一起運算：

>>> 1 + 1
2
>>> "1" + "1"
'11'
>>> 1 + "1"
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: unsupported types for __add__: 'int', 'str'
>>> "1" + 1
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: can't convert 'int' object to str implicitly

當你把數字寫在用 " 或 ' 括起來的字串中，那些數字就是字串而不是數字了。當你對兩個字串使用 + 號，這些字串只會直接連在一起。

這顯示了 + 運算元對數值和字串的意義是不一樣的，所以你嘗試執行 1 + "1" 或 "1" + 1 就產生錯誤了。之後我們會再談到怎麼藉由轉換資料型別的方式，好讓它們可以一起運算。

執行遇到問題時，Python 直譯器會顯示錯誤訊息，告訴你錯誤發生的行數（由於我們在使用 REPL 介面，所以位置是第 1 行）以及原因（TypeError，型別錯誤）。這時我們就可以根據這些訊息來嘗試排解錯誤（除錯）。

布林值

布林值（Boolean）就是「是／否」或「真／假」的二元結果，在 Python 中這兩個值分別是 True 和 False（第一個字一定大寫），主要用在邏輯判斷用途，這些後面會再探討。

Python 的布林值同時也是一種特殊的數值，0 和 None 就等於 False，除此以外的其他任何數字則等於 True。

None

None 是個特殊的值，代表沒有值的意思。你用到它的機會非常少，但有些 Python 功能會把它當成沒有值時的預設值。

Python 基礎概念：變數

宣告變數

**變數（variable）**是用來在程式中記住資料的方法，就像是解數學方程式時的 X 或 Y。變數會有一個值，而這個值是可以隨意改變的。

在 Python 中，若要宣告（define）一個新變數，辦法是用 =（指派運算元）號指定或賦予一個值給某個名稱：

>>> a = 1

此舉建立了名為 a 的變數，值為整數 1。

>>> a
1
>>> a + 3
4

如果用 = 指定新的值給 a，它的值會隨之改變：

>>> a = 2
>>> a
2
>>> a * 3
6

你甚至可以這樣寫：

>>> a = 1
>>> a
1
>>> a = a + 4
>>> a
5

請記住 = 號不是數學上的等於，而是將其右邊的值指定給左邊。一開始 a 的值為 1，然後我們指定新的值 a + 4（也就是 5） 給 a。因此 = 完成運算後，a 就變成 5 了。

最後，來按編輯器的 Close serial 關閉 REPL 介面，然後重開（記得按 Ctrl+C），並再次輸入 a 查詢其值：

>>> a
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
NameError: name 'a' isn't defined

現在產生了錯誤，說名稱 a 未定義。這是因為重開 REPL 後，變數 a 就在記憶體裡消失了。

後面我們在執行完整的程式時，每次重新執行的效果就等同於重新啟動 REPL，所以你得在程式裡適當的地方宣告變數，後面的程式使用它時才不會遇到問題。

Python 變數是個「路牌」

現在要來講一個比較難懂、但仍然非常重要的觀念，因為這能解釋 Python 變數在賦值時的獨特特性。

在許多程式語言中，變數是個容器，實際上就是記憶體裡的一個空間，然後把值存在那裡面。既然是事先指定的空間，你只能用它來儲存特定類型的資料。但 Python 的做法卻剛好相反：值本身已經存在於記憶體中某處了，你所做的其實是做一個「路牌」來指向它。

以 a = 1 為例，整數 1 其實已經存在於記憶體內，我們只是新增一個名稱 a 來代表它：

a ---> 1

而當你執行 a = 2 時，路牌 a 會指向記憶體中的整數 2。這時整數 1 仍然存在，只是除了直接寫出 1 以外，我們沒有別的方式能引用 1。

       1
a ---> 2

整數 1 和 2 等等是特例，它們是 Python 一開始就擁有的資料。有些資料則是由使用者在執行程式期間建立的。

換言之，變數可以任意指向任何資料，就算途中改變資料的類型也無謂：

>>> a = 1
>>> a
1
>>> a = "test"
>>> a
'test'

上面 a 一開始是整數，後來變成字串了。要注意的是，在同一支程式裡太任意更改變數指向的資料類型，只會把程式搞得更複雜而已。最好還是把不同功能的變數分開宣告，讀起來也比較容易懂。

Python 變數的命名規則

Python 變數的命名非常自由，除了不能用數字開頭以外，可以隨意混搭字母、數字和底線：

>>> _Number_01 = 42
>>> _Number_01
42

Python 變數名稱也支援 Unicode，因此用中文、日文或各國語言建立變數名稱都是可行的。使用非 Unicode 特殊字元會產生錯誤。不過，一般習慣上還是會以英數為主，而且最好清楚反映變數本身的用途。

當然還有一件你不該做的事，就是拿 Python 內建功能的名稱來當變數。這會導致那個名稱指向了你給予的資料，結果等於是把原本的功能蓋掉了，說不定還會導致程式錯誤。

Python 基礎：內建函式

函式（function）是一個功能，就像數學函數一樣可以輸入資料給它，而函式會拿資料來做某件事。有的函式也會傳回處理完的結果。後面我們會再看到 Python 函式是怎麼定義的，但 Python 本身也提供了一系列內建函式，你不需要做任何事就能直接使用它們。

最常用的內建函式之一是 print()，可以用來把資料輸出到 REPL 介面：

>>> print(42)
42
>>> print("Test")
'Test'
>>> print(2 ** 10)
1024

要是 REPL 可以直接印出資料、變數和運算式，幹嘛多此一舉呢？這是因為在正式寫程式的時候，你不會寫在 REPL 裡面，而是直接讓 REPL 執行一個，而這時你若想輸出一些資料的話，就必須用 print() 函式。

函式跟變數一樣有個名稱，這個名稱（路牌）會指向真正的函式：

>>> print
<function>

若要「呼叫」函式，得在這個名稱後面加上小括號。

如前面所提，如果你用 = 指派一個新的值給 print 這個名稱，原本的函式就找不到了（直到下次重新執行程式、或重開直譯器為止），所以這種行為是能免則免。

相對的，也有些內建函式主要是讓你在 REPL 介面使用的，用來探索 Python 的功能。下面我們會一一講解。

印出文字 - 模組與函式

好了，我們花了點時間講解一些 Python 基礎。現在先來看這能怎麼應用在 micro:bit 的功能吧。

在 REPL 照順序輸入以下兩行指令：

>>> import microbit
>>> microbit.display.show(42)

執行第二行時，。micro:bit 的 5x5 LED 顯示幕會依序顯示 4 和 2。

接著：

>>> s = "Test"
>>> microbit.display.show(s)

這回 micro:bit 顯示了變數 s 的內容，也就是 Test。

你也可以直接在 ...show() 裡面寫運算式：

>>> microbit.display.show(2 ** 10)

但是，這個功能是個函數嗎？第一行的 import... 是在做什麼呢？

探索 microbit 模組

模組（module）代表 Python 中一系列特定的功能，歸類在某個名稱底下。在其他語言中，我們會稱模組為函式庫。例如，math 模組含有跟數學計算有關的功能，而 time 模組有些可用於計時和處理時間的功能。

如前面提過的，micro:bit 的 Python（MicroPython）是經過精簡的版本，所以它的模組不會像正規 Python 那麼多和完整，也有些模組是特別針對開發板的硬體功能而設計。不過，使用方式是完全一樣的。

在 micro:bit 上，microbit 模組囊括了 micro:bit 絕大部分的硬體功能。現在我們來看看它裡面有什麼東西。

首先要「匯入」microbit 模組：

>>> import microbit

你可以想像這是在把模組載入到記憶體中，雖然實際上這更像是在建立一個變數名稱 microbit，它會指向一系列功能。當我們使用這個名字時，Python 會去系統中尋找這模組的檔案，並執行當中的程式功能。

匯入模組以後，就可以用 help() 函式來調查它的內容：

>>> help(microbit)
object <module 'microbit'> is of type module
  __name__ -- microbit
  Image -- <class 'MicroBitImage'>
  Sound -- <class 'MicroBitSound'>
  SoundEvent -- <class 'MicroBitSoundEvent'>
  display -- <MicroBitDisplay>
  button_a -- <MicroBitButton>
  button_b -- <MicroBitButton>
  accelerometer -- <MicroBitAccelerometer>
  compass -- <MicroBitCompass>
  speaker -- <MicroBitSpeakerPin>
  microphone -- <MicroBitMicrophone>
  audio -- <module 'audio'>
  i2c -- <MicroBitI2C>
  uart -- <MicroBitUART>
  spi -- <MicroBitSPI>
  reset -- <function>
  sleep -- <function>
  running_time -- <function>
  panic -- <function>
  temperature -- <function>
  set_volume -- <function>
  ws2812_write -- <function>
  pin0 -- <MicroBitTouchPin>
  pin1 -- <MicroBitTouchPin>
  pin2 -- <MicroBitTouchPin>
  pin3 -- <MicroBitAnalogDigitalPin>
  pin4 -- <MicroBitAnalogDigitalPin>
  pin5 -- <MicroBitDigitalPin>
  pin6 -- <MicroBitDigitalPin>
  pin7 -- <MicroBitDigitalPin>
  pin8 -- <MicroBitDigitalPin>
  pin9 -- <MicroBitDigitalPin>
  pin10 -- <MicroBitAnalogDigitalPin>
  pin11 -- <MicroBitDigitalPin>
  pin12 -- <MicroBitDigitalPin>
  pin13 -- <MicroBitDigitalPin>
  pin14 -- <MicroBitDigitalPin>
  pin15 -- <MicroBitDigitalPin>
  pin16 -- <MicroBitDigitalPin>
  pin19 -- <MicroBitDigitalPin>
  pin20 -- <MicroBitDigitalPin>
  pin_logo -- <MicroBitTouchOnlyPin>
  pin_speaker -- <MicroBitDigitalPin>

另一個類似的方式是使用 dir() 函式：

>>> dir(microbit)
['__class__', '__name__', 'Image', 'Sound', 'SoundEvent', 'accelerometer', 'audio', 'button_a', 'button_b', 'compass', 'display', 'i2c', 'microphone', 'panic', 'pin0', 'pin1', 'pin10', 'pin11', 'pin12', 'pin13', 'pin14', 'pin15', 'pin16', 'pin19', 'pin2', 'pin20', 'pin3', 'pin4', 'pin5', 'pin6', 'pin7', 'pin8', 'pin9', 'pin_logo', 'pin_speaker', 'reset', 'running_time', 'set_volume', 'sleep', 'speaker', 'spi', 'temperature', 'uart', 'ws2812_write']

如果你想知道一個模組（或者模組內的功能）底下有什麼東西，又覺得花時間開文件麻煩的話，可以很快用 help() 或 dir() 查一下。

現在，micro:bit LED 顯示幕的相關功能都放在 microbit 模組的 display 項目下。我們可以查查看它是什麼：

>>> help(microbit.display)
object <MicroBitDisplay> is of type MicroBitDisplay
  get_pixel -- <function>
  set_pixel -- <function>
  show -- <function>
  scroll -- <function>
  clear -- <function>
  on -- <function>
  off -- <function>
  is_on -- <function>
  read_light_level -- <function>

microbit.display（用句號連接）是個物件，它本身也有一些功能，包括 show() 和其他幾個函式。之後我們會再談物件是什麼。

因此，若你想使用上面的 show() 函式來顯示資料，你得連同模組跟物件的名稱來呼叫它：

>>> microbit.display.show("Show something")

micro:bit 的 LED 顯示幕只能顯示英文、數字和一些標點符號，不支援中文或全形符號等等。

你甚至可試著呼叫其他函式：

>>> microbit.display.scroll("Show something")

你應該會發現，scroll() 正如其名，能在 LED 幕捲動顯示文字，使之變成跑馬燈。

用草稿碼的方式執行程式

現在，我們要把上面的幾行程式合併起來，讓 micro:bit 能一口氣全部執行。

關閉 REPL 介面、切回寫程式的介面，清掉原本的程式和換成以下內容：

import microbit

microbit.display.scroll("Hello World!")

確定編輯器已與 micro:bit 連線，然後按 Flash 上傳程式。

跑馬燈跑完後，你可以按 micro:bit 背面的 reset（重置）鈕來重新啟動板子。你會發現 micro:bit 再次執行了同一支程式，不再需要我們手動輸入。

但 micro:bit 是怎麼執行程式的呢？事實上，你的程式會轉成一個文字檔 main.py 並儲存在 micro:bit 上。當 micro:bit 啟動時，它就會尋找並執行這個檔案的內容。若你按編輯器的 Load/Save，就可以瀏覽板子的檔案系統：

可以看到板子上確實有一個 main.py，而這個介面也允許你上傳 .hex 或 .py 檔。.py 是標準的 Python 草稿碼副檔名；這表示你也可以用一般的 Python 編輯器寫程式，儲存成 main.py，然後手動上載到 micro:bit 上。你甚至能藉此上傳額外的模組檔案，但這就是比較進階的主題了。

匯入模組的其他方式

你可能會覺得，為了使用模組的某個功能，就得寫一長串名稱，未免太麻煩了。

這時，你可以選擇只「匯入」模組底下的某樣東西：

from microbit import display

display.scroll("Hello World!")

上面的程式從 microbit 模組單獨匯入 display 物件，於是我們就能直接使用 display 名稱了。（但是你不能寫 from microbit.display import scroll，因為 display 本身不是模組，不適用於這種語法。）要注意的是，現在 microbit 這名稱並沒有被匯入，所以沒辦法使用。

除此以外，microbit 模組內還有很多其他東西。在網路上的教材中，很常看到會用以下的方式載入 microbit 模組下的所有功能：

from microbit import *

這麼一來，你就能跳過 microbit 名稱和使用它底下的任何東西了。但在一般的 Python 程式設計中，這樣反而不見得是好主意，因為你有可能無意間載入了太多功能，或者有兩個模組的子功能具有同樣的名稱（因此有一邊會蓋掉另一邊）。所以在本教材中，我們還是會很明確的寫出我們要匯入什麼。