uctypes – 以结构化方式访问二进制数据

该模块为MicroPython实现“外部数据接口”。 它背后的想法类似于CPython的ctypes模块,但实际的API是不同的,流线型和小尺寸优化。 该模块的基本思想是定义具有与C语言允许的功能大致相同的数据的数据结构布局,然后使用熟悉的点语法访问它以引用子字段。

警告

uctypes模块允许访问机器的任意内存地址(包括I / O和控制寄存器)。 不小心使用它可能会导致崩溃,数据丢失,甚至硬件故障。

也可参考

ustruct模块

用于访问二进制数据结构的标准Python方法(不能很好地扩展到大型和复杂的结构)。

例程:

import uctypes

# Example 1: Subset of ELF file header
# https://wikipedia.org/wiki/Executable_and_Linkable_Format#File_header
ELF_HEADER = {
    "EI_MAG": (0x0 | uctypes.ARRAY, 4 | uctypes.UINT8),
    "EI_DATA": 0x5 | uctypes.UINT8,
    "e_machine": 0x12 | uctypes.UINT16,
}

# "f" is an ELF file opened in binary mode
buf = f.read(uctypes.sizeof(ELF_HEADER, uctypes.LITTLE_ENDIAN))
header = uctypes.struct(uctypes.addressof(buf), ELF_HEADER, uctypes.LITTLE_ENDIAN)
assert header.EI_MAG == b"\x7fELF"
assert header.EI_DATA == 1, "Oops, wrong endianness. Could retry with uctypes.BIG_ENDIAN."
print("machine:", hex(header.e_machine))


# Example 2: In-memory data structure, with pointers
COORD = {
    "x": 0 | uctypes.FLOAT32,
    "y": 4 | uctypes.FLOAT32,
}

STRUCT1 = {
    "data1": 0 | uctypes.UINT8,
    "data2": 4 | uctypes.UINT32,
    "ptr": (8 | uctypes.PTR, COORD),
}

# Suppose you have address of a structure of type STRUCT1 in "addr"
# uctypes.NATIVE is optional (used by default)
struct1 = uctypes.struct(addr, STRUCT1, uctypes.NATIVE)
print("x:", struct1.ptr[0].x)


# Example 3: Access to CPU registers. Subset of STM32F4xx WWDG block
WWDG_LAYOUT = {
    "WWDG_CR": (0, {
        # BFUINT32 here means size of the WWDG_CR register
        "WDGA": 7 << uctypes.BF_POS | 1 << uctypes.BF_LEN | uctypes.BFUINT32,
        "T": 0 << uctypes.BF_POS | 7 << uctypes.BF_LEN | uctypes.BFUINT32,
    }),
    "WWDG_CFR": (4, {
        "EWI": 9 << uctypes.BF_POS | 1 << uctypes.BF_LEN | uctypes.BFUINT32,
        "WDGTB": 7 << uctypes.BF_POS | 2 << uctypes.BF_LEN | uctypes.BFUINT32,
        "W": 0 << uctypes.BF_POS | 7 << uctypes.BF_LEN | uctypes.BFUINT32,
    }),
}

WWDG = uctypes.struct(0x40002c00, WWDG_LAYOUT)

WWDG.WWDG_CFR.WDGTB = 0b10
WWDG.WWDG_CR.WDGA = 1
print("Current counter:", WWDG.WWDG_CR.T)

1. 定义结构布局

结构布局由“描述符”定义 - 一个Python字典,它将字段名称编码为键,以及将它们作为关联值访问它们所需的其他属性:

{
    "field1": <properties>,
    "field2": <properties>,
    ...
}

目前,uctypes需要明确规定每个字段的偏移量。 从结构开始以字节为单位给出偏移量。

以下是各种字段类型的编码示例:

  • 标量类型:
"field_name": offset | uctypes.UINT32

换句话说,该值是标量类型标识符,与结构起始处的字段偏移量(以字节为单位)进行或运算。

  • 递归结构:
"sub": (offset, {
    "b0": 0 | uctypes.UINT8,
    "b1": 1 | uctypes.UINT8,
})

即,值是2元组,其第一个元素是偏移量,第二个是结构描述符字典(注意:递归描述符中的偏移量与其定义的结构相关)。 当然,递归结构不仅可以通过文字字典指定,还可以通过按名称引用结构描述符字典(前面定义)来指定。

  • 原始类型的数组:
"arr": (offset | uctypes.ARRAY, size | uctypes.UINT8),

即,值是一个2元组,其第一个元素是ARRAY标志与偏移进行OR运算,第二个是标量元素类型ORed数组中的元素数。

*聚合类型数组:

"arr2": (offset | uctypes.ARRAY, size, {"b": 0 | uctypes.UINT8}),

即,值是一个3元组,其第一个元素是ARRAY标志,与偏移相关,第二个是数组中的元素数,第三个是元素类型的描述符。

*指向原始类型的指针:

"ptr": (offset | uctypes.PTR, uctypes.UINT8),

即,值是2元组,其第一个元素是PTR标志与偏移进行OR运算,第二个元素是标量元素类型。

*指向聚合类型的指针:

"ptr2": (offset | uctypes.PTR, {"b": 0 | uctypes.UINT8}),

即,值是2元组,其第一个元素是PTR标志与偏移量进行OR运算,第二个元素是指向的类型的描述符。

*比特场:

"bitf0": offset | uctypes.BFUINT16 | lsbit << uctypes.BF_POS | bitsize << uctypes.BF_LEN,

即,value是一种包含给定位域的标量值(类型名称类似于标量类型,但前缀为“BF”),与包含位域的标量值的偏移进行OR运算,并进一步与位位置和位长度的值进行“或”运算。标量值内的位域,分别移位BF_POS和BF_LEN位。位域位置从标量的最低有效位(具有0的位置)开始计数,并且是字段的最右位的数量(换句话说,它是标量需要向右移位的位数)提取位域)。

在上面的例子中,首先在偏移0处提取UINT16值(当访问硬件寄存器时,这个细节可能很重要,需要特定的访问大小和对齐),然后是最右边的位是此UINT16的lsbit位的位域,以及length是bitsize bits,将被提取。例如,如果lsbit为0且bitsize为8,那么它将有效地访问UINT16的最低有效字节。

注意,位域操作独立于目标字节字节序,特别是上面的例子将在小端和大端结构中访问UINT16的最低有效字节。但它取决于最低有效位被编号为0.某些目标可能在其原生ABI中使用不同的编号,但是“uctypes”总是使用上述的标准化编号。

2. 模块内容

2.1. class uctypes.struct(addr, descriptor, layout_type=NATIVE)

基于内存中的结构地址,描述符(编码为字典)和布局类型(参见下文)来实例化“外部数据结构”对象。

2.2. uctypes.LITTLE_ENDIAN

little-endian压缩结构的布局类型。 (打包意味着每个字段占用描述符中定义的字节数,即对齐为1)。

2.3. uctypes.BIG_ENDIAN

big-endian压缩结构的布局类型。

2.4. uctypes.NATIVE

本机结构的布局类型 - 数据字节顺序和对齐符合运行MicroPython的系统的ABI。

2.5. uctypes.sizeof(struct, layout_type=NATIVE)

以字节为单位返回数据结构的大小。 struct参数可以是结构类,也可以是特定的实例化结构对象(或其聚合字段)。

2.6. uctypes.addressof(obj)

返回对象的地址。 参数应该是字节,字节数组或其他支持缓冲区协议的对象(该缓冲区的地址实际上是返回的)。

2.7. uctypes.bytes_at(addr, size)

以给定的地址和大小捕获内存作为bytes对象。 由于bytes对象是不可变的,因此内存实际上是复制并复制到bytes对象中,因此如果内存内容稍后更改,则创建的对象将保留原始值。

2.8. uctypes.bytearray_at(addr, size)

将给定地址和大小的内存捕获为bytearray对象。 与上面的bytes_at()函数不同,内存是通过引用捕获的,因此它也可以写入,并且您将在给定的内存地址访问当前值。

2.9. uctypes.UINT8 uctypes.INT8 uctypes.UINT16 uctypes.INT16 uctypes.UINT32 uctypes.INT32 uctypes.UINT64 uctypes.INT64

结构描述符的整数类型。 提供了8,16,32和64位类型的常量,包括有符号和无符号。

2.10. uctypes.FLOAT32 uctypes.FLOAT64

结构描述符的浮点类型。

2.11. uctypes.VOID

VOID是UINT8的别名,用于方便地定义C的void指针:(uctypes.PTR,uctypes.VOID)。

2.12. uctypes.PTR uctypes.ARRAY

输入指针和数组的常量。 请注意,结构没有显式常量,它是隐式的:没有PTR或ARRAY标志的聚合类型是一种结构。

3. 结构描述符和实例化结构对象

给定结构描述符字典及其布局类型,您可以使用uctypes.struct()构造函数在给定的内存地址实例化特定的结构实例。 内存地址通常来自以下来源:

*访问裸机系统上的硬件寄存器时的预定义地址。 在特定MCU / SoC的数据表中查找这些地址。

*作为调用某些FFI(外部函数接口)函数的返回值。

*来自uctypes.addressof(),当您想要将参数传递给FFI函数时,或者访问I / O的某些数据(例如,从文件或网络套接字读取的数据)。

4. 结构对象

结构对象允许使用标准点表示法访问单个字段:`my_struct.substruct1.field1。如果字段是标量类型,获取它将产生与字段中包含的值对应的原始值(Python整数或浮点数)。 标量字段也可以分配给。

如果某个字段是一个数组,则可以使用标准的下标运算符[]访问其各个元素 - 同时读取和分配。

如果一个字段是一个指针,它可以使用[0]语法解除引用(对应于C *运算符,尽管[0]也适用于C)。 还支持使用其他整数值(但是为0)订阅指针,其语义与C中相同。

总而言之,访问结构字段通常遵循C语法,除了指针取消引用,当您需要使用[0]运算符而不是*时。

5. 限制

  • 访问非标量字段会导致分配中间对象以表示它们。这意味着应该特别注意布局在禁用内存分配时(例如从中断)需要访问的结构。建议如下:
    • 避免访问嵌套结构。例如,代替mcu_registers.peripheral_a.register1,为每个外设定义单独的布局描述符,作为peripheral_a.register1进行访问。或者只缓存特定的外设:peripheral_a = mcu_registers.peripheral_a。如果寄存器由多个位域组成,则需要缓存对特定寄存器的引用:reg_a = mcu_registers.peripheral_a.reg_a。
    • 避免使用其他非标量数据,如数组。例如,使用peripheral_a.register0而不是peripheral_a.register [0]。同样,另一种方法是缓存中间值,例如register0 = peripheral_a.register [0]。
  • uctypes模块支持的偏移范围是有限的。支持的确切范围被认为是实现细节,一般建议是将结构定义拆分为从几千字节到几十千字节的最大值。在大多数情况下,这是一种自然情况,例如,在一个结构中定义MCU的所有寄存器(扩展到32位地址空间)没有意义,而是通过外设块定义外设块。在某些极端情况下,您可能需要人工分割几个部分的结构(例如,如果在中间访问具有多兆字节数组的本机数据结构,尽管这将是非常合成的情况)。)
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