CodingPirates/microbit-micropython-cookbook

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Alan Wang 4dba83c739 Update learn-python-on-microbit-zh.md

2021-02-08 17:31:26 +08:00

12 KiB

Raw Blame History

在 BBC micro:bit 上學 Python

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：

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 變數在賦值時的極大彈性。

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。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。換言之，變數可以指向任何資料，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。事實上 Python 變數可以指向各種東西，其彈性

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

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，因此使用中文、日文或各國語言都是可行的。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，而且最好能清楚反映變數本身的用途。

當然還有一個你不應該做的事，就是使用 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，結果原本的功能就沒辦法用了，可能還會導致程式錯誤。的

（持續寫作中...）

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