面向微控制器的Rust編程語言

新編程語言的出現(xiàn)通常是為了彌補(bǔ)現(xiàn)有語言的不足，而這些不足通常與性能、易用性或無法支持新興計算機(jī)科學(xué)概念有關(guān)。在嵌入式電子領(lǐng)域，特別是圍繞微控制器的領(lǐng)域，Rust編程語言的出現(xiàn)主要是為了彌補(bǔ)幾十年來在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域一直穩(wěn)居主導(dǎo)地位的C語言的諸多缺陷。

（圖源：mirsad/stock.adobe.com）

C語言誕生于20世紀(jì)70年代初，缺乏當(dāng)今軟件開發(fā)人員所依賴的許多現(xiàn)代功能。下面重點(diǎn)列舉了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中C語言的一些主要缺陷：

?包管理：Rust提供Cargo構(gòu)建系統(tǒng)和包管理器，而C語言卻沒有官方的包管理解決方案。包管理支持代碼重用，因為庫（在Cargo中稱為“crate”）可以輕松集成到新項目中。與從頭開始編寫代碼相比，使用經(jīng)過驗證的現(xiàn)有代碼庫可以降低開發(fā)風(fēng)險。

?更好的內(nèi)存管理：Rust的內(nèi)存所有權(quán)和借用系統(tǒng)消除了內(nèi)存泄漏的風(fēng)險，以及其他內(nèi)存相關(guān)錯誤，而C語言由于依賴不太可靠的垃圾回收技術(shù)，就比較容易遇到這些風(fēng)險和錯誤。

?并發(fā)性：Rust的所有權(quán)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)更安全、更高效的并發(fā)性，這在嵌入式系統(tǒng)中至關(guān)重要。

?無空指針解引用：Rust通過對可能為空的值使用Option類型，消除了空指針解引用，而這是C語言中常見的錯誤原因。

?現(xiàn)代化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：Rust支持泛型 (generic) 和特征 (trait) 等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)概念，提高了源代碼的可維護(hù)性。

雖然C語言存在諸多缺陷，但它仍然是當(dāng)今的主流語言。因此，Rust的創(chuàng)建者確保了這種新興語言可以與C語言代碼互操作，允許嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員在Rust應(yīng)用程序中使用現(xiàn)有的C語言庫。

Rust：從網(wǎng)絡(luò)到微控制器

Rust是Graydon Hoare的創(chuàng)意，他于2006年在Mozilla工作期間就開始設(shè)計這種編程語言，作為自己的個人項目。當(dāng)時他關(guān)注的是提高復(fù)雜并行計算任務(wù)的性能和可靠性，這在當(dāng)時的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器中已成為一個嚴(yán)重問題。快進(jìn)到2022年，Rust已然成為了繼匯編語言和C語言之后，用于開發(fā)Linux內(nèi)核的第三編程語言。

2018年，Rust用戶群成立了Embedded Rust工作組，負(fù)責(zé)監(jiān)督Rust輕量級版本的開發(fā)。該版本專為Arm® Cortex®-M、MSP430和RISC-V等嵌入式平臺而設(shè)計。Embedded Rust開發(fā)工具可用于Windows、macOS和眾多Linux發(fā)行版，當(dāng)前的許多代碼編輯器（如Visual Studio Code、Sublime、Atom、RustOver 和Eclipse）也支持Rust。在查看Embedded Rust的實(shí)例之前，我們先來了解幾個獨(dú)特概念，它們可能有助于傳統(tǒng)軟件開發(fā)人員向嵌入式系統(tǒng)開發(fā)過渡：

?外設(shè)訪問箱 (PAC)：PAC為microchip的外圍設(shè)備提供直接接口。用戶通常不會與PAC交互，除非他們正在為新的微控制器開發(fā)硬件抽象層，或者更高的層無法滿足應(yīng)用程序的需求。

?硬件抽象層 (HAL)：HAL構(gòu)建在芯片的PAC之上，并提供不需要深入了解芯片獨(dú)特行為的抽象。通常，它們將整個外圍設(shè)備抽象成一個結(jié)構(gòu)（也稱struct），例如可用于向片上外圍設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)或從其發(fā)送數(shù)據(jù)的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)。

?板級支持Crate (BSC)：在其他嵌入式開發(fā)環(huán)境中被稱為板級支持包，BSC抽象整個電路板。因此，它必須為電路板上的微控制器以及任何外圍設(shè)備（如傳感器和LED）創(chuàng)建抽象。在大多數(shù)情況下，工程師僅使用芯片的HAL，然后為外圍設(shè)備編寫驅(qū)動程序，或者在crate聚合站上搜索驅(qū)動程序。

STMicroelectronics電路板的實(shí)例

Rust嵌入式生態(tài)系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分是embedded-hal Rust庫，它提供了一個公共接口來使用不同微控制器平臺的硬件外設(shè)。embedded-hal的目標(biāo)是在為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)軟件時，實(shí)現(xiàn)代碼的可移植性和可重用性。embedded-hal定義GPIO引腳、SPI、I2C、UART、定時器等常見嵌入式硬件外設(shè)的特征和抽象。這些特征提供標(biāo)準(zhǔn)化的API以便與外設(shè)交互，從而簡化了可移植嵌入式代碼的編寫。

embedded-hal的主要優(yōu)點(diǎn)之一是它的平臺無關(guān)性。使用embedded-hal編寫的代碼可在各種微控制器架構(gòu)和開發(fā)板上運(yùn)行，無需修改，只要目標(biāo)平臺具備所需的特征即可。

embedded-hal除提供通用抽象外，還允許定制。如果某個微控制器或平臺具有獨(dú)特的功能或特性，您可以為這些功能實(shí)現(xiàn)embedded-hal特征，以提供一致的接口。

下面的示例展示了如何在Rust代碼中使用embedded-hal：

use embedded_hal::digital::v2::{OutputPin, InputPin};

use stm32f4xx_hal::{gpio::gpioa::PA5, stm32};

fn main() {

// Initialize the microcontroller

let dp = stm32::Peripherals::take().unwrap();

let cp = cortex_m::peripheral::Peripherals::take().unwrap():

let mut rcc = dp.RCC.constrain();

let _clocks = rcc.cfgr.freeze();

// Configure a GPIO pin using embedded_hal

let gpioa = dp.GPIOA.split();

let mut led = gpioa.pa5.into_push_pull_output();

// Blink the LED

loop {

led.set_high().unwrap();

cortex_m::asm::delay(1_000_000);

led.set_low().unwrap();

cortex_m::asm::delay(1_000_000);

}

}

在本例中，我們使用embedded-hal特征（如OutputPin）來控制一個連接到GPIO引腳的LED。代碼的編寫方式使其可以在不同的STM32微控制器上重復(fù)使用，只要根據(jù)所需的電路板更改第二行代碼即可。注意，只要平臺支持GPIO引腳的embedded-hal特征并具備所需的外圍設(shè)備，就沒問題。

結(jié)語

Rust編程語言是為了彌補(bǔ)C語言的不足而設(shè)計，特別是在嵌入式系統(tǒng)中。憑借包管理、更好的內(nèi)存管理、安全的并發(fā)和現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等特性，Rust比C語言有了顯著改進(jìn)。Rust與C語言的互操作性還允許開發(fā)人員利用現(xiàn)有的C語言庫。Embedded Rust工作組和工具（如embedded-hal庫）的創(chuàng)建兌現(xiàn)了Rust對增強(qiáng)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的承諾，它提供了一種不依賴平臺且可定制的方法，可提高代碼在不同微控制器平臺之間的可移植性和可重用性。

作者簡介

專業(yè)工程師Michael Parks是Green Shoe Garage的所有者。Green Shoe Garage是一家提供定制電子設(shè)計的工作室和技術(shù)咨詢機(jī)構(gòu)，位于馬里蘭州南部。Michael Parks創(chuàng)辦了《S.T.E.A.M. Power Podcast》播客來提升公眾對科技的認(rèn)知。他擁有馬里蘭州專業(yè)工程師資質(zhì)，并擁有約翰·霍普金斯大學(xué)的系統(tǒng)工程碩士學(xué)位。