تکنیک‌های اشکال‌زدایی (Debugging) پیشرفته MicroPython در محیط Vscode

توسعه‌دهندگان میکرopایتون همواره با چالش‌هایی منحصربه‌فرد در محیط‌های با منابع محدود روبرو هستند. در حالی که سادگی و کارایی میکرopایتون آن را برای پروژه‌های اینترنت اشیا (IoT) و سیستم‌های توکار ایده‌آل ساخته است، اشکال‌زدایی (Debugging) برنامه‌ها روی این میکروکنترلرها، به‌ویژه هنگام بروز مشکلات پیچیده و ناپایدار، می‌تواند به یک فرآیند زمان‌بر و طاقت‌فرسا تبدیل شود. روش‌های سنتی اشکال‌زدایی، مانند استفاده صرف از دستورات print()، اغلب ناکافی هستند و می‌توانند منجر به تغییر رفتار برنامه یا پنهان شدن ریشه‌ی اصلی مشکل شوند. در این مقاله جامع، ما به بررسی عمیق تکنیک‌های اشکال‌زدایی پیشرفته میکرopایتون در محیط قدرتمند و چندمنظوره Visual Studio Code (VS Code) خواهیم پرداخت. هدف ما توانمندسازی توسعه‌دهندگان برای یافتن و رفع اشکالات با کارایی بیشتر، کاهش زمان توسعه، و افزایش اطمینان از صحت عملکرد کدهایشان در محیط‌های واقعی است. ما از پیکربندی اولیه وی‌اس‌کد تا استفاده از نقاط توقف (breakpoints)، نقاط ثبت (log points)، عبارات نظارتی (watch expressions) و بررسی پشته فراخوانی (call stack) را پوشش خواهیم داد، با تمرکز ویژه بر چالش‌های اشکال‌زدایی از راه دور (remote debugging) روی سخت‌افزار واقعی.

درک این تکنیک‌ها نه تنها به شما در شناسایی خطاها کمک می‌کند، بلکه بینش عمیق‌تری نسبت به جریان اجرای برنامه، وضعیت متغیرها در زمان واقعی، و نحوه تعامل اجزای مختلف سیستم به شما می‌بخشد. این رویکرد سیستماتیک به اشکال‌زدایی، به‌ویژه برای پروژه‌های بزرگ‌تر و پیچیده‌تر که شامل ارتباطات شبکه، کنترل سخت‌افزار و مدیریت همزمان چندین کار هستند، حیاتی است.

چرا اشکال‌زدایی پیشرفته برای MicroPython ضروری است؟

میکروکنترلرهایی که MicroPython روی آن‌ها اجرا می‌شود، مانند ESP32، ESP8266 و پلتفرم‌های STM32، دارای محدودیت‌های سخت‌افزاری قابل توجهی از نظر حافظه RAM، حافظه فلش و قدرت پردازشی هستند. این محدودیت‌ها پیامدهای خاصی برای فرآیند توسعه و اشکال‌زدایی دارند:

• حافظه محدود: خطاهای مربوط به مدیریت حافظه، مانند سرریز پشته (stack overflow) یا نشت حافظه (memory leak)، می‌توانند باعث از کار افتادن ناگهانی سیستم (crash) شوند. شناسایی دقیق محل و علت این خطاها بدون ابزارهای پیشرفته اشکال‌زدایی بسیار دشوار است.
• عملکرد زمان واقعی: بسیاری از برنامه‌های MicroPython شامل تعامل با سخت‌افزار، سنسورها و عملگرها در زمان واقعی هستند. استفاده از دستورات print() می‌تواند تأخیرهای ناخواسته‌ای ایجاد کند که رفتار زمان واقعی سیستم را تغییر داده و تشخیص مشکل اصلی را مختل کند.
• اشکال‌زدایی از راه دور: MicroPython عمدتاً روی سخت‌افزار فیزیکی اجرا می‌شود که اغلب به کابل USB یا اتصال شبکه (Wi-Fi/Ethernet) متصل است. این موضوع نیازمند ابزارهایی برای اشکال‌زدایی از راه دور است که بتوانند با دستگاه ارتباط برقرار کرده و اطلاعات لازم را ارائه دهند.
• پیچیدگی کد: با رشد پروژه‌ها، کدها پیچیده‌تر می‌شوند و شامل ماژول‌های متعدد، کتابخانه‌های خارجی و منطق‌های شرطی پیچیده می‌شوند. در چنین شرایطی، ردیابی جریان اجرای برنامه فقط با چشم و print() تقریباً غیرممکن است.
• خطاهای نادر و غیرقابل تکرار: برخی از اشکالات فقط تحت شرایط خاص و نادر رخ می‌دهند (مثلاً تحت بارگذاری بالا یا در زمان‌های خاص). اشکال‌زدایی پیشرفته با امکاناتی مانند نقاط توقف شرطی می‌تواند به شکار این “باگ‌های شبح‌وار” کمک کند.

VS Code، با اکوسیستم غنی از افزونه‌ها و پشتیبانی قوی از اشکال‌زدایی، بستر ایده‌آلی برای مقابله با این چالش‌ها فراهم می‌کند. با یادگیری و به‌کارگیری این تکنیک‌ها، توسعه‌دهندگان می‌توانند به‌طور قابل توجهی بهره‌وری خود را افزایش داده و کدهای MicroPython پایدارتر و قابل اعتمادتری ایجاد کنند.

پیش‌نیازهای راه‌اندازی محیط توسعه VS Code برای MicroPython

قبل از اینکه به تکنیک‌های اشکال‌زدایی پیشرفته بپردازیم، ضروری است که محیط توسعه VS Code خود را به‌درستی پیکربندی کنید. این مرحله شامل نصب نرم‌افزارهای لازم و افزونه‌های VS Code است که امکان برقراری ارتباط با میکروکنترلر و اشکال‌زدایی کد را فراهم می‌کنند.

۱. نصب Visual Studio Code

اگر هنوز VS Code را نصب نکرده‌اید، آن را از وب‌سایت رسمی code.visualstudio.com دانلود و نصب کنید. VS Code یک محیط توسعه رایگان، متن‌باز و بسیار قابل تنظیم است که برای توسعه میکرopایتون ایده‌آل است.

۲. نصب Python

اطمینان حاصل کنید که Python (نسخه 3.x) روی سیستم شما نصب شده است. بسیاری از ابزارهای MicroPython و افزونه‌های VS Code به Python متکی هستند. می‌توانید Python را از وب‌سایت رسمی python.org دانلود کنید.

۳. نصب درایورهای سریال (Serial Drivers)

برای برقراری ارتباط VS Code با میکروکنترلر از طریق پورت USB، ممکن است نیاز به نصب درایورهای سریال مربوطه داشته باشید. این درایورها بسته به نوع تراشه USB به سریال روی برد شما متفاوت است (مثلاً CP210x برای برخی بردهای ESP32 و CH340 برای برخی بردهای ESP8266). معمولاً با اتصال برد به کامپیوتر، سیستم‌عامل به‌طور خودکار درایور را شناسایی و نصب می‌کند. در غیر این صورت، باید آن‌ها را به‌صورت دستی از وب‌سایت سازنده (Silicon Labs برای CP210x یا WCH برای CH340) دانلود و نصب کنید.

۴. نصب افزونه‌های VS Code برای MicroPython

اکوسیستم VS Code شامل چندین افزونه است که برای توسعه MicroPython طراحی شده‌اند. برجسته‌ترین آن‌ها عبارتند از:

• Pymakr: این افزونه توسط Pycom توسعه یافته و یکی از قدرتمندترین ابزارها برای توسعه MicroPython است. Pymakr قابلیت‌های گسترده‌ای از جمله همگام‌سازی فایل‌ها، کنسول سریال، و یک اشکال‌زدای داخلی (debugger) را ارائه می‌دهد.
  برای نصب، VS Code را باز کرده و به بخش Extensions (Ctrl+Shift+X) بروید. عبارت “Pymakr” را جستجو کرده و نصب کنید.
• MicroPython: این یک افزونه عمومی‌تر است که توسط Tommy M. Jensen توسعه یافته و امکانات اساسی برای ارتباط با دستگاه‌های MicroPython از طریق پورت سریال را فراهم می‌کند. اگرچه ممکن است به اندازه Pymakr جامع نباشد، اما برای برخی از کاربران گزینه سبک‌تری است.
  مانند Pymakr، آن را از بخش Extensions جستجو و نصب کنید.

برای اهداف این مقاله، ما عمدتاً بر روی قابلیت‌های ارائه شده توسط افزونه Pymakr تمرکز خواهیم کرد، زیرا این افزونه یکی از بهترین پشتیبانی‌ها را برای اشکال‌زدایی پیشرفته فراهم می‌کند. پس از نصب Pymakr، ممکن است نیاز باشد VS Code را یک بار راه‌اندازی مجدد کنید.

۵. پیکربندی پروژه Pymakr در VS Code

Pymakr برای هر پروژه نیاز به یک فایل پیکربندی به نام .vscode/pymakr.conf دارد. این فایل شامل تنظیمات اتصال به دستگاه و سایر پارامترهای پروژه است.

مثال یک فایل pymakr.conf:

{
    "address": "COMx", // در ویندوز: COM1, COM2، در لینوکس/مک: /dev/ttyUSB0, /dev/ttyACM0
    "port": "/dev/ttyUSB0", // یا "COMx"
    "baudrate": 115200,
    "fast_upload": true,
    "sync_folder": "src", // پوشه‌ای که کد MicroPython شما در آن قرار دارد
    "open_on_connect": true,
    "autologin": false,
    "repl_command": "screen /dev/ttyUSB0 115200", // برای لینوکس/مک
    "terminal_integration": false,
    "debug_port": 23 // پورت TCP برای اشکال‌زدایی از راه دور، اگر از ESP32/ESP8266 با Wi-Fi استفاده می‌کنید
}

پارامتر address (یا port بسته به نسخه افزونه یا نوع اتصال) حیاتی است. این باید به پورت سریال واقعی که میکروکنترلر شما به آن متصل است، اشاره کند. می‌توانید پورت سریال را در مدیر دستگاه (Device Manager) در ویندوز یا با دستور ls /dev/tty* در لینوکس/مک پیدا کنید.

با انجام این مراحل، محیط توسعه شما آماده است تا قدم در دنیای اشکال‌زدایی پیشرفته MicroPython در VS Code بگذارد.

آشنایی با قابلیت‌های اشکال‌زدایی Pymakr در VS Code

افزونه Pymakr یکپارچگی عمیقی با قابلیت‌های اشکال‌زدایی داخلی VS Code دارد. این به شما امکان می‌دهد تا از رابط کاربری آشنای اشکال‌زدایی VS Code برای کنترل اجرای کد روی میکروکنترلر خود استفاده کنید. قبل از شروع، اطمینان حاصل کنید که پروژه شما به‌درستی با دستگاه همگام‌سازی شده است (Pymakr معمولاً این کار را به‌صورت خودکار در زمان اتصال انجام می‌دهد). برای شروع اشکال‌زدایی، باید یک پیکربندی راه‌اندازی (launch configuration) ایجاد کنید.

۱. پیکربندی فایل `launch.json`

برای استفاده از اشکال‌زدای VS Code، باید یک فایل launch.json در پوشه .vscode پروژه خود ایجاد کنید (اگر از قبل وجود ندارد). این فایل به VS Code می‌گوید که چگونه فرآیند اشکال‌زدایی را شروع کند.

1. در VS Code، به بخش Run and Debug (Ctrl+Shift+D) بروید.
2. روی “create a launch.json file” کلیک کنید (اگر قبلاً وجود ندارد).
3. “Pymakr Debug” را از لیست محیط‌ها انتخاب کنید.

این کار یک پیکربندی پیش‌فرض Pymakr Debug را به فایل launch.json شما اضافه می‌کند. یک مثال از launch.json ممکن است به شکل زیر باشد:

{
    "version": "0.2.0",
    "configurations": [
        {
            "name": "Pymakr Debug",
            "type": "micropython",
            "request": "launch",
            "program": "${file}", // فایل فعلی را اجرا می‌کند
            "cwd": "${workspaceFolder}",
            "stopOnEntry": false, // اگر true باشد، در اولین خط کد متوقف می‌شود
            "internalConsoleOptions": "openOnSessionStart",
            "debugPort": 23, // این پورت باید با debug_port در pymakr.conf مطابقت داشته باشد
            "port": "COMx" // یا /dev/ttyUSB0، با address در pymakr.conf مطابقت دارد
        }
    ]
}

توضیح پارامترهای کلیدی:

• name: نام این پیکربندی اشکال‌زدایی در منوی کشویی Run and Debug.
• type: نوع اشکال‌زدایی را مشخص می‌کند، در اینجا micropython برای Pymakr.
• request: نوع درخواست، معمولاً launch برای شروع یک سشن جدید.
• program: فایل پایتونی که باید اشکال‌زدایی شود. ${file} به این معنی است که فایل فعال فعلی در ویرایشگر اجرا می‌شود. می‌توانید آن را به یک فایل خاص مانند main.py تغییر دهید.
• cwd: مسیر کاری فعلی. ${workspaceFolder} به ریشه پروژه اشاره دارد.
• stopOnEntry: اگر true باشد، اشکال‌زدا بلافاصله در اولین خط اجرای کد متوقف می‌شود.
• debugPort: این پارامتر برای اشکال‌زدایی از راه دور از طریق شبکه استفاده می‌شود، اگر دستگاه شما (مانند ESP32) از طریق Wi-Fi به Pymakr متصل باشد. این باید با debug_port در pymakr.conf شما مطابقت داشته باشد.
• port: پورت سریال یا آدرس IP (در صورت استفاده از اتصال TCP/IP) دستگاه MicroPython شما. این نیز باید با address یا port در pymakr.conf مطابقت داشته باشد.

۲. شروع سشن اشکال‌زدایی

پس از پیکربندی launch.json، می‌توانید یک سشن اشکال‌زدایی را شروع کنید:

1. یک فایل MicroPython (مثلاً main.py) را در ویرایشگر باز کنید.
2. در نوار کناری Run and Debug، پیکربندی “Pymakr Debug” را از منوی کشویی انتخاب کنید.
3. روی دکمه سبز “Start Debugging” کلیک کنید (یا F5 را فشار دهید).

VS Code اکنون تلاش می‌کند به دستگاه MicroPython شما متصل شود، فایل‌های پروژه را همگام‌سازی کند و سشن اشکال‌زدایی را آغاز کند. پس از اتصال موفق، نوار ابزار اشکال‌زدایی (Debug Toolbar) در بالای ویرایشگر ظاهر می‌شود و پنل DEBUG CONSOLE در پایین فعال می‌گردد.

تکنیک‌های اشکال‌زدایی پیشرفته MicroPython در VS Code

اکنون که محیط خود را پیکربندی کرده‌اید، می‌توانیم به بررسی تکنیک‌های پیشرفته‌تر اشکال‌زدایی بپردازیم که به شما امکان می‌دهند مشکلات پیچیده‌تر را با دقت بیشتری حل کنید.

۱. نقاط توقف (Breakpoints) و گام‌به‌گام (Stepping) از راه دور

نقاط توقف اساسی‌ترین ابزار در اشکال‌زدایی هستند. آن‌ها به شما اجازه می‌دهند تا اجرای برنامه را در یک خط کد خاص متوقف کرده و وضعیت سیستم را در آن نقطه بررسی کنید. در MicroPython با Pymakr، این نقاط توقف روی دستگاه واقعی اعمال می‌شوند.

نحوه استفاده:

1. تنظیم نقطه توقف: در کنار شماره خط در ویرایشگر VS Code، کلیک کنید. یک دایره قرمز ظاهر می‌شود که نشان‌دهنده یک نقطه توقف فعال است.
2. شروع اشکال‌زدایی: با فشردن F5 یا کلیک بر روی دکمه “Start Debugging” یک سشن اشکال‌زدایی را شروع کنید.
3. اجرا تا نقطه توقف: برنامه روی میکروکنترلر اجرا می‌شود و هنگامی که به خط کد دارای نقطه توقف می‌رسد، متوقف می‌شود.
4. بررسی وضعیت: هنگامی که برنامه متوقف می‌شود، می‌توانید از پنل‌های زیر در نوار کناری Run and Debug استفاده کنید:
   • Variables: متغیرهای محلی (local)، سراسری (global) و همچنین متغیرهای موجود در زمینه (scope) فعلی را نمایش می‌دهد. شما می‌توانید مقادیر آن‌ها را بررسی و حتی در برخی موارد تغییر دهید.
   • Watch: عبارات نظارتی سفارشی خود را برای نظارت بر مقادیر متغیرها یا نتایج عبارات در طول زمان اضافه کنید (در بخش بعدی بیشتر توضیح داده خواهد شد).
   • Call Stack: پشته فراخوانی را نمایش می‌دهد که توالی توابع فراخوانی شده تا رسیدن به نقطه توقف فعلی را نشان می‌دهد. این برای درک جریان کنترل برنامه بسیار مفید است.
5. گام‌به‌گام (Stepping): پس از توقف در یک نقطه توقف، می‌توانید از دکمه‌های کنترل اشکال‌زدایی در نوار ابزار اشکال‌زدایی استفاده کنید:
   • Continue (F5): اجرای برنامه را از سر می‌گیرد تا به نقطه توقف بعدی برسد یا برنامه به پایان برسد.
   • Step Over (F10): یک خط کد را اجرا می‌کند. اگر خط جاری یک فراخوانی تابع باشد، بدون ورود به تابع، آن را اجرا کرده و به خط بعدی در همان سطح از پشته فراخوانی می‌رود.
   • Step Into (F11): اگر خط جاری یک فراخوانی تابع باشد، وارد آن تابع می‌شود و در اولین خط قابل اجرای تابع متوقف می‌شود.
   • Step Out (Shift+F11): اجرای را از سر می‌گیرد تا تابع فعلی به پایان برسد و به خط کد فراخوانی‌کننده برگردد.
   • Restart (Ctrl+Shift+F5): سشن اشکال‌زدایی را مجدداً راه‌اندازی می‌کند.
   • Stop (Shift+F5): سشن اشکال‌زدایی را خاتمه می‌دهد.

این قابلیت‌ها به شما این امکان را می‌دهند که دقیقاً مراحل اجرای کد را روی دستگاه واقعی دنبال کنید و ببینید متغیرها چگونه در طول زمان تغییر می‌کنند، که برای ردیابی باگ‌ها بسیار قدرتمند است.

۲. نقاط توقف شرطی (Conditional Breakpoints)

گاهی اوقات، یک اشکال فقط زمانی رخ می‌دهد که یک متغیر خاص به مقدار خاصی برسد یا یک شرط خاص برقرار شود. تنظیم یک نقطه توقف ساده که در هر بار رسیدن به آن خط متوقف می‌شود، می‌تواند ناکارآمد و زمان‌بر باشد، به‌ویژه در حلقه‌های تکرار شونده. نقاط توقف شرطی به شما اجازه می‌دهند تا یک شرط را به نقطه توقف خود اضافه کنید.

نحوه استفاده:

1. افزودن نقطه توقف: یک نقطه توقف عادی تنظیم کنید.
2. ویرایش شرط: روی نقطه توقف (دایره قرمز) راست کلیک کرده و “Edit Breakpoint…” را انتخاب کنید.
3. وارد کردن شرط: در پنجره‌ای که ظاهر می‌شود، می‌توانید یک عبارت پایتون را وارد کنید. اشکال‌زدا تنها زمانی در این نقطه متوقف می‌شود که این عبارت به True ارزیابی شود.

مثال: اگر می‌خواهید برنامه تنها زمانی متوقف شود که متغیر counter به مقدار 100 برسد، شرط را counter == 100 قرار دهید. یا اگر می‌خواهید زمانی که مقدار سنسور temperature از آستانه 30 بیشتر می‌شود، متوقف شود، شرط را temperature > 30 قرار دهید.

# مثال کد MicroPython
import time

counter = 0
while True:
    counter += 1
    if counter % 50 == 0:
        print(f"Counter: {counter}")
    # نقطه توقف شرطی در اینجا با شرط "counter == 100"
    time.sleep_ms(100)

نقاط توقف شرطی در اشکال‌زدایی باگ‌های نادری که به ورودی‌های خاص یا حالت‌های سیستم وابسته هستند، فوق‌العاده مفید هستند.

۳. نقاط ثبت (Log Points/Tracepoints)

نقاط ثبت جایگزینی غیرمزاحم برای دستورات print() هستند. آن‌ها به شما اجازه می‌دهند تا پیامی را در کنسول اشکال‌زدایی (DEBUG CONSOLE) بدون متوقف کردن اجرای برنامه، نمایش دهید. این قابلیت برای نظارت بر مقادیر متغیرها یا ردیابی جریان برنامه در زمان واقعی، بدون تغییر رفتار زمان‌بندی (timing behavior) برنامه، بسیار ارزشمند است.

نحوه استفاده:

1. افزودن نقطه توقف: یک نقطه توقف عادی تنظیم کنید.
2. ویرایش به‌عنوان Log Point: روی نقطه توقف (دایره قرمز) راست کلیک کرده و “Edit Breakpoint…” را انتخاب کنید.
3. تغییر به Log Message: در پنجره‌ای که ظاهر می‌شود، “Log Message” را انتخاب کنید.
4. وارد کردن پیام: پیامی را وارد کنید که می‌خواهید نمایش داده شود. می‌توانید از عبارات پایتون با پرانتزهای فرفری {} استفاده کنید تا مقادیر متغیرها را نمایش دهید.

مثال: اگر می‌خواهید مقدار متغیر voltage را بدون توقف برنامه ثبت کنید، پیام را به صورت "Current voltage: {voltage}V" تنظیم کنید. این پیام در هر بار رسیدن به این خط، در DEBUG CONSOLE ظاهر می‌شود.

# مثال کد MicroPython
import machine
import time

adc = machine.ADC(0)

while True:
    voltage = adc.read() / 1023 * 3.3
    # Log Point در اینجا با پیام "Current voltage: {voltage:.2f}V"
    time.sleep_ms(500)

نقاط ثبت به‌طور خاص برای برنامه‌هایی که نیاز به عملکرد زمان واقعی دارند و نمی‌توانند وقفه‌های اشکال‌زدایی را تحمل کنند، مفید هستند.

۴. عبارات نظارتی (Watch Expressions)

پنل Watch در نوار کناری Run and Debug به شما امکان می‌دهد تا متغیرها یا عبارات خاصی را در طول سشن اشکال‌زدایی نظارت کنید. هر زمان که برنامه متوقف شود (در یک نقطه توقف)، مقادیر این عبارات به‌روزرسانی می‌شوند.

نحوه استفاده:

1. در پنل Watch، روی دکمه “+” کلیک کرده یا عبارت “Add Expression” را انتخاب کنید.
2. نام یک متغیر (مانند temperature) یا یک عبارت پایتون (مانند (voltage * 100) / 3.3) را وارد کنید.

با هر بار توقف برنامه، VS Code مقدار این متغیر یا نتیجه این عبارت را از دستگاه MicroPython بازیابی کرده و در پنل Watch نمایش می‌دهد. این یک راه عالی برای پیگیری نحوه تغییر وضعیت برنامه در طول زمان است.

۵. تحلیل پشته فراخوانی (Call Stack Analysis)

پشته فراخوانی یک ابزار حیاتی برای درک جریان کنترل برنامه و ردیابی منشأ خطاها است. پنل Call Stack در نوار کناری Run and Debug، توالی توابع فراخوانی شده تا رسیدن به نقطه توقف فعلی را نشان می‌دهد. هر ورودی در پشته شامل نام تابع، نام فایل و شماره خط است.

نحوه استفاده:

1. هنگامی که برنامه در یک نقطه توقف متوقف می‌شود، به پنل Call Stack نگاه کنید.
2. هر ورودی در پشته را می‌توان گسترش داد تا متغیرهای محلی آن فریم (frame) خاص از پشته را مشاهده کنید.
3. می‌توانید روی هر فریم در پشته کلیک کنید تا به خط کد مربوطه در ویرایشگر پرش کنید. این به شما امکان می‌دهد تا “به عقب” در مسیر اجرای برنامه حرکت کنید و ببینید که برنامه چگونه به نقطه فعلی رسیده است.

پشته فراخوانی به‌ویژه برای اشکال‌زدایی خطاها و استثنائات (exceptions) که در توابع تو در تو رخ می‌دهند، مفید است. با بررسی پشته، می‌توانید ببینید کدام تابع، تابع دیگری را فراخوانی کرده که در نهایت منجر به مشکل شده است.

۶. اشکال‌زدایی استثنائات (Exception Debugging)

استثنائات (مانند ValueError، TypeError، MemoryError) اغلب نشان‌دهنده مشکلات اساسی در کد هستند. VS Code و Pymakr می‌توانند برای توقف خودکار در هنگام بروز یک استثنا پیکربندی شوند.

نحوه استفاده:

1. در پنل Run and Debug، در بخش “Breakpoints”، یک قسمت به نام “Exceptions” وجود دارد.
2. می‌توانید کادر کنار “All Exceptions” را علامت بزنید تا اشکال‌زدا در هر استثنائی که رخ می‌دهد، چه مدیریت شده (caught) و چه مدیریت نشده (uncaught)، متوقف شود.
3. همچنین می‌توانید “Uncaught Exceptions” را انتخاب کنید تا فقط در استثنائاتی که توسط بلاک try-except مدیریت نشده‌اند، متوقف شود.

هنگامی که برنامه به دلیل یک استثنا متوقف می‌شود، می‌توانید از پنل Call Stack برای شناسایی دقیق محل و علت استثنا استفاده کنید. بررسی متغیرها در آن نقطه نیز اطلاعات حیاتی را فراهم می‌کند.

۷. پروفایل حافظه (Memory Profiling) اولیه

در MicroPython، مدیریت حافظه بسیار مهم است. نشت حافظه یا استفاده بیش از حد از RAM می‌تواند باعث ناپایداری یا از کار افتادن برنامه شود. اگرچه Pymakr یک ابزار پروفایل حافظه گرافیکی پیشرفته را ارائه نمی‌دهد، می‌توانید از ابزارهای داخلی MicroPython برای جمع‌آوری اطلاعات استفاده کنید.

ابزارهای MicroPython:

1. micropython.mem_info(): این تابع اطلاعاتی در مورد وضعیت حافظه heap (فضای حافظه پویا) در MicroPython ارائه می‌دهد، از جمله کل حافظه، حافظه آزاد، حافظه استفاده شده و تعداد بلوک‌های حافظه.

        import micropython
        micropython.mem_info()
    

شما می‌توانید این دستور را در کنسول Pymakr اجرا کنید یا آن را در کد خود در نقاط مختلف برای ردیابی نشت حافظه قرار دهید. این اطلاعات در DEBUG CONSOLE یا REPL نمایش داده می‌شود.

2. gc.collect(): ماژول gc (garbage collector) به شما امکان می‌دهد تا جمع‌آوری زباله را به‌صورت دستی فعال کنید. فراخوانی gc.collect() قبل و بعد از بخش‌هایی از کد که مشکوک به نشت حافظه هستند، همراه با micropython.mem_info()، می‌تواند به شما در شناسایی نشت‌ها کمک کند.

        import gc
        import micropython

        print("--- Before operation ---")
        micropython.mem_info()
        gc.collect()
        micropython.mem_info()

        # Operation that might leak memory
        my_list = [i for i in range(1000)]
        another_list = []
        for i in range(1000):
            another_list.append(str(i) * 10)

        print("--- After operation ---")
        micropython.mem_info()
        gc.collect()
        micropython.mem_info()
    

با استفاده از نقاط ثبت یا نقاط توقف در اطراف فراخوانی‌های mem_info()، می‌توانید تغییرات در استفاده از حافظه را در طول اجرای برنامه مشاهده کنید. این یک رویکرد دستی اما موثر برای اشکال‌زدایی مشکلات حافظه در محیط‌های محدود است.

۸. اشکال‌زدایی کد ناهمگام (Asynchronous Code Debugging)

با معرفی uasyncio (نسخه MicroPython از asyncio)، توسعه برنامه‌های ناهمگام در MicroPython رایج شده است. اشکال‌زدایی کدهای ناهمگام می‌تواند پیچیده باشد زیرا جریان اجرا به‌صورت خطی نیست و چندین Coroutine (هم‌روال) به‌طور همزمان (concurrenntly) اجرا می‌شوند.

چالش‌ها:

• تغییرات زمینه (Context Switching): اشکال‌زدا ممکن است نتواند به‌طور یکپارچه بین Coroutineها پرش کند، که ردیابی منطق را دشوار می‌کند.
• Race Conditions: خطاهایی که به دلیل ترتیب نامشخص اجرای Coroutineها رخ می‌دهند، تشخیص آن‌ها بسیار دشوار است.
• Blocking Operations: عملیات مسدودکننده (blocking) در یک Coroutine می‌تواند کل حلقه رویداد (event loop) را متوقف کند.

رویکردها:

1. نقاط ثبت و توقف هوشمند: از نقاط ثبت برای ردیابی ورود و خروج Coroutineها و از نقاط توقف شرطی برای متوقف کردن برنامه تنها زمانی که یک Coroutine خاص فعال است یا یک شرط خاص در آن برقرار می‌شود، استفاده کنید.

        import uasyncio as asyncio
        import time

        async def task_a():
            for i in range(5):
                print(f"Task A: {i}")
                # Log Point: "Task A loop {i}"
                await asyncio.sleep(0.1)

        async def task_b():
            for i in range(3):
                print(f"Task B: {i}")
                # Conditional Breakpoint: "i == 2"
                await asyncio.sleep(0.2)

        async def main():
            await asyncio.gather(task_a(), task_b())

        # asyncio.run(main())
    

2. بررسی Call Stack: هنگامی که در یک Coroutine متوقف می‌شوید، پشته فراخوانی می‌تواند نشان دهد که کدام Coroutine فراخوانی شده است. با این حال، توجه داشته باشید که پشته ممکن است تمام تاریخچه تعویض Coroutineها را به‌طور کامل نشان ندهد.
3. فعال کردن Deubg Mode در uasyncio: برخی نسخه‌های uasyncio دارای یک حالت اشکال‌زدایی هستند که می‌تواند اطلاعات بیشتری را در مورد اجرای حلقه رویداد و Coroutineها ارائه دهد. به مستندات uasyncio برای نسخه MicroPython خود مراجعه کنید.
4. مکانیسم‌های همگام‌سازی (Synchronization): اطمینان حاصل کنید که از ابزارهای همگام‌سازی uasyncio مانند Lock یا Event به‌درستی استفاده می‌کنید تا از Race Conditionها جلوگیری شود. اشکال‌زدایی این مکانیسم‌ها با نقاط توقف می‌تواند به شما در درک رفتار آن‌ها کمک کند.

اشکال‌زدایی کدهای ناهمگام نیازمند صبر و رویکردی متفاوت است. هدف اصلی این است که بتوانید ترتیب اجرای Coroutineها را ردیابی کرده و تشخیص دهید که آیا عملیات‌ها به‌درستی yield می‌شوند و یا در حال مسدود کردن حلقه رویداد هستند.

نکات و بهترین روش‌ها برای اشکال‌زدایی MicroPython

علاوه بر تکنیک‌های پیشرفته، رعایت برخی نکات و بهترین روش‌ها می‌تواند فرآیند اشکال‌زدایی را به‌طور کلی بهبود بخشد:

۱. شروع با اشکال‌زدایی ساده

همیشه قبل از پریدن به تکنیک‌های پیچیده، با اشکال‌زدایی ساده (مانند print() و بررسی REPL) شروع کنید. بسیاری از مشکلات را می‌توان با این روش‌های ساده شناسایی کرد. اشکال‌زدایی پیشرفته باید برای مشکلات عمیق‌تر و پیچیده‌تر ذخیره شود.

۲. ماژولار کردن کد

کد خود را به توابع و ماژول‌های کوچک‌تر و قابل مدیریت تقسیم کنید. این کار محدوده احتمالی خطا را کاهش می‌دهد و اشکال‌زدایی را آسان‌تر می‌کند. با ماژولار کردن کد، می‌توانید اشکال‌زدایی را روی یک ماژول خاص متمرکز کنید، نه بر کل سیستم.

۳. استفاده از کنترل نسخه (Version Control)

از Git یا سایر سیستم‌های کنترل نسخه برای مدیریت کد خود استفاده کنید. این به شما امکان می‌دهد تا به نسخه‌های قبلی کد برگردید، تغییرات را ردیابی کنید و باگ‌هایی که ممکن است در طول توسعه معرفی شده باشند را شناسایی کنید.

۴. تست واحد (Unit Testing)

تا حد امکان، برای بخش‌های منطقی کد خود تست‌های واحد بنویسید. اگرچه تست واحد کامل در محیط MicroPython ممکن است چالش‌برانگیز باشد، اما حتی تست‌های ساده می‌توانند به شناسایی خطاها قبل از استقرار روی سخت‌افزار کمک کنند.

۵. مستندسازی کد

کد خود را به‌خوبی مستند کنید. توضیحات واضح در مورد هدف توابع، پارامترها، و منطق پیچیده می‌تواند به شما (و دیگران) در درک جریان برنامه و ردیابی مشکلات کمک کند.

۶. مدیریت منابع

همیشه به محدودیت‌های حافظه و پردازشی میکروکنترلر خود آگاه باشید. از ساختارهای داده کارآمد استفاده کنید و از ایجاد اشیاء بزرگ و غیرضروری خودداری کنید. استفاده از micropython.mem_info() به‌طور منظم می‌تواند به شما در جلوگیری از مشکلات حافظه کمک کند.

۷. به‌روزرسانی منظم ابزارها

اطمینان حاصل کنید که افزونه Pymakr، VS Code و فریمور MicroPython روی دستگاه شما به‌روز هستند. به‌روزرسانی‌ها اغلب شامل رفع اشکال، بهبود عملکرد و قابلیت‌های جدید اشکال‌زدایی هستند.

۸. درک سخت‌افزار

درک عمیقی از سخت‌افزاری که روی آن کار می‌کنید (پین‌ها، رجیسترها، ویژگی‌های خاص تراشه) می‌تواند به شما در اشکال‌زدایی خطاهای مرتبط با سخت‌افزار کمک کند. بسیاری از اشکالات MicroPython ریشه در پیکربندی نادرست سخت‌افزار یا نادیده گرفتن محدودیت‌های آن دارند.

۹. استفاده از REPL

REPL (Read-Eval-Print Loop) یک ابزار اشکال‌زدایی قدرتمند است. می‌توانید قطعه کدها را مستقیماً روی دستگاه اجرا کنید، وضعیت متغیرها را بررسی کنید و توابع را فراخوانی کنید تا رفتار آن‌ها را تست کنید. Pymakr یک کنسول REPL یکپارچه را فراهم می‌کند.

جمع‌بندی

اشکال‌زدایی پیشرفته MicroPython در محیط VS Code با استفاده از افزونه Pymakr، یک توانایی حیاتی برای هر توسعه‌دهنده جدی IoT و سیستم‌های توکار است. با استفاده موثر از نقاط توقف، نقاط توقف شرطی، نقاط ثبت، عبارات نظارتی، و تحلیل پشته فراخوانی، می‌توانید باگ‌های پیچیده را با کارایی بیشتری شناسایی و برطرف کنید. همچنین، درک چالش‌های مربوط به حافظه محدود و کد ناهمگام، و به‌کارگیری رویکردهای مناسب برای مدیریت آن‌ها، به شما امکان می‌دهد تا برنامه‌های MicroPython پایدارتر و قابل اطمینان‌تری بسازید.

به یاد داشته باشید که اشکال‌زدایی یک مهارت است که با تمرین بهبود می‌یابد. با هر باگی که با موفقیت اشکال‌زدایی می‌کنید، نه تنها مهارت‌های فنی خود را تقویت می‌کنید، بلکه درک عمیق‌تری از کد خود و عملکرد میکروکنترلر به دست می‌آورید. با پیروی از این راهنمای جامع و به‌کارگیری بهترین روش‌ها، شما آماده خواهید بود تا با پیچیده‌ترین مشکلات MicroPython روبرو شوید و پروژه‌های خود را با اطمینان کامل به اتمام برسانید.

ابزارهایی مانند Pymakr و قابلیت‌های اشکال‌زدایی VS Code، فاصله بین توسعه‌دهنده و سخت‌افزار را از بین می‌برند و تجربه توسعه MicroPython را به یک سطح جدید از بهره‌وری و کارایی ارتقا می‌دهند. امیدواریم این مقاله به شما در تسلط بر هنر اشکال‌زدایی پیشرفته MicroPython کمک کرده باشد.