PyXL: Python-Code direkt in der Hardware ausführen!

Wir alle kennen Python. Es ist eine der beliebtesten Programmiersprachen, weil es leicht zu lesen ist und Dinge schnell erledigt werden können. Aber wenn Sie möchten, dass Ihr Code unglaublich schnell läuft oder auf winzigen, kostengünstigen Chips namens Mikrocontroller, ist Python normalerweise nicht die erste Wahl. Das liegt daran, dass Python typischerweise zusätzliche Softwareebenen wie Interpreter oder virtuelle Maschinen (VMs) benötigt, um ausgeführt zu werden, was die Geschwindigkeit verlangsamen kann.

Aber was, wenn man Python-Code ohne all die zusätzliche Software ausführen könnte? Direkt, auf einer speziell dafür entwickelten Hardware? Das ist die spannende Idee hinter einem neuen Projekt namens PyXL.

Was genau ist PyXL?

Denken Sie an PyXL wie an einen maßgeschneiderten Computerchip (einen Hardware-Prozessor), der speziell dafür entwickelt wurde, Python-Code zu verstehen und auszuführen. Anstatt eines Standard-Computerchips, der ein Python-Interpreter-Programm ausführt, ist die PyXL-Hardware selbst der Interpreter, eingebaut direkt in den "Silizium" (das Material, aus dem Chips hergestellt werden).

Es geht nicht nur darum, ein normales Python-Programm auf einem Standardchip wirklich, wirklich schnell auszuführen. PyXL verwendet ein spezielles Satz von Werkzeugen (eine Werkzeugkette), um Ihren Python-Code vorzubereiten.

Es nimmt Ihre standardmäßige Python-Datei (.py) und wandelt sie zunächst in ein Format namens CPython ByteCode um, übersetzt sie dann in eine benutzerdefinierte Befehlsmenge (genannt PySM) und erstellt schließlich eine Hardware-Datei (ein Binärprogramm), die der PyXL-Chip direkt ausführen kann.

Warum Hardware für Python bauen?

Das Hauptziel von PyXL ist es, super-schnelle Geschwindigkeiten und vorhersehbare Zeitplanung für Python-Code zu erreichen, insbesondere in Situationen, in denen die Zeitplanung entscheidend ist.

Schauen wir uns einen einfachen Test an: Ein digitales Pin an einem Chip sehr schnell ein- und auszuschalten und die Zeit zu messen, die das Signal benötigt, um von einem Pin auszugehen und an einem anderen wieder eingelesen zu werden (dies wird GPIO-Rundreise genannt). Dies ist ein grundlegender Test dafür, wie schnell ein Chip auf die Außenwelt reagieren kann.

Auf einem beliebten MicroPython-Board (das PyBoard genannt wird) dauert dieser GPIO-Test etwa 15.000 Nanosekunden (das sind 15 Millionstel einer Sekunde). Das liegt daran, dass der Python-Code durch den Software-Interpreter von MicroPython und verschiedene Software-Schichten gehen muss, bevor er mit dem Pin spricht.

PyXL überspringt diese Softwareebenen. Die spezielle PyXL-Hardware ist darauf ausgelegt, die Anweisungen Ihres kompilierten Python-Codes direkt auszuführen, und die Verbindung zu den GPIO-Pins ist physisch in den Prozessor verdrahtet. Im selben Test erreichte PyXL eine GPIO-Rundlaufzeit von nur 480 Nanosekunden.

Das bedeutet, dass PyXL in diesem Test auf dem PyBoard etwa 30-mal schneller ist als MicroPython. Wenn man berücksichtigt, dass der PyXL-Chip derzeit mit einer niedrigeren Geschwindigkeit läuft (100 MHz im Vergleich zu den 168 MHz des PyBoards), ist der Geschwindigkeitsunterschied noch dramatischer, ungefähr 50-mal schneller.

Über die reine Geschwindigkeit hinaus bietet PyXL deterministische Zeitmessung. Im GPIO-Test war die benötigte Zeit jedes Mal genau gleich (480 ns). MicroPython zeigt wie andere softwarebasierte Systeme gewisse Schwankungen in der Zeitmessung (Jitter). Diese Vorhersehbarkeit ist entscheidend für Anwendungen, die zu genau dem richtigen Moment reagieren müssen.

Wofür kann PyXL verwendet werden?

Weil es Python schnell und vorhersehbar macht, könnte PyXL in Bereichen nützlich sein, in denen Python traditionell aufgrund von Leistungsbeschränkungen nicht geeignet war. Dazu gehören Dinge wie:

• Echtzeit-Steuerungssysteme: Wo Maschinen oder Prozesse mit sehr präzisem Timing gesteuert werden müssen.
• Robotik: Für Aufgaben wie die Verarbeitung von Sensordaten und die Steuerung von Motoren mit hoher Genauigkeit.
• Systeme, die schnelle Reaktionen auf Sensoren benötigen: Zum Beispiel im maschinellen Lernen, wo eine auf Sensoreingaben basierende Entscheidung sofort erfolgen muss.
• Eingebettete Industriensysteme: Wo Zuverlässigkeit und genaue Zeitplanung entscheidend sind.

Die Idee ist, dass Sie die wichtigen, leistungsabhängigen Teile Ihres Projekts in Python schreiben und sie direkt auf der PyXL-Hardware ausführen könnten, um Geschwindigkeit und Vorhersagbarkeit zu erreichen.

Ist PyXL für alle bereit?

PyXL ist derzeit ein Projekt in der frühen Phase, das von einer einzelnen Person entwickelt wird. Es läuft auf einem speziellen Entwicklungsboard, das einen Chip namens Zynq-7000 FPGA verwendet (genauer gesagt das Arty-Z7-20 Entwicklungsboard).

Wichtig ist, dass es derzeit nur eine Teilmenge von Python unterstützt. Viele Funktionen des standardmäßigen Python (CPython) sind noch nicht implementiert. Einige Funktionen, wie komplexe Laufzeitänderungen am Code oder dynamisches Laden, könnten möglicherweise nie vollständig unterstützt werden, da der Fokus auf einer einfachen, vorhersehbaren Ausführung für eingebettete Systeme liegt.

Außerdem können bestehende Python-Bibliotheken, die in C geschrieben sind, derzeit nicht direkt auf PyXL verwendet werden. Die Speicherverwaltung (wie Müllsammlung) ist ebenfalls noch in Arbeit.

Während der Entwickler PyXL als die Ausführung von Python „direkt“ in der Hardware beschreibt, weisen einige technische Diskussionen darauf hin, dass es das Kompilieren des Python-Codes in einen benutzerdefinierten Satz von Anweisungen für die Hardware beinhaltet, was eine Form der Kompilierung ist, wie sie auch für jeden anderen Chip üblich ist.

Der wesentliche Unterschied besteht jedoch darin, dass die Hardware speziell für diese Python-ähnlichen Anweisungen entwickelt wurde, wodurch ein separater Software-Interpreter vermieden wird.

Vorausblick

PyXL bietet eine einzigartige und potenziell leistungsstarke Möglichkeit, Python in eingebetteten und Echtzeitanwendungen zu verwenden, indem speziell dafür Hardware entwickelt wird.

Obwohl es sich noch in der Entwicklung befindet und Einschränkungen aufweist, zeigen die frühen Leistungsergebnisse einen erheblichen Sprung in Geschwindigkeit und Zeitvorhersagbarkeit im Vergleich zum Ausführen von Python auf traditionellen Mikrocontroller-Setups.

Der Entwickler plant, auf der PyCon 2025 weitere technische Details zu teilen.

Zusammenfassend ist PyXL ein Projekt, das einen speziellen Computerchip entwickelt, um Python-Code wirklich schnell und vorhersehbar auszuführen, und es eröffnen sich Möglichkeiten, Python in Systemen zu verwenden, in denen die zeitliche Genauigkeit entscheidend ist.

Ressource:

• PyXL Website