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科學概念有關。在嵌入式電子領域，特別是圍繞微控制器的領域，Rust編程語言的出現(xiàn)主要是為了彌補幾十年來在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)領域一直穩(wěn)居主導地位的C語言的諸多缺陷。
（圖源：mirsad/stock.adobe.com）
C語言誕生于20世紀70年代初，缺乏當今軟件開發(fā)人員所依賴的許多現(xiàn)代功能。下面重點列舉了嵌入式系統(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，使用經過驗證的現(xiàn)有代碼庫可以降低開發(fā)風險。
?更好的內存管理：Rust的內存所有權和借用系統(tǒng)消除了內存泄漏的風險，以及其他內存相關錯誤，而C語言由于依賴不太可靠的垃圾回收技術，就比較容易遇到這些風險和錯誤。
?并發(fā)性：Rust的所有權系統(tǒng)和數(shù)據結構能夠實現(xiàn)更安全、更高效的并發(fā)性，這在嵌入式系統(tǒng)中至關重要。
?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)據結構：Rust支持泛型 (generic) 和特征 (trait) 等數(shù)據結構概念，提高了源代碼的可維護性。
雖然C語言存在諸多缺陷，但它仍然是當今的主流語言。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應用程序中使用現(xiàn)有的C語言庫。
Rust：從網絡到微控制器
Rust是Graydon Hoare的創(chuàng)意，他于2006年在Mozilla工作期間就開始設計這種編程語言，作為自己的個人項目。當時他關注的是提高復雜并行計算任務的性能和可靠性，這在當時的網絡瀏覽器中已成為一個嚴重問題?？爝M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內核的第三編程語言。
2018年，Rust用戶群成立了Embedded Rust工作組，負責監(jiān)督Rust輕量級版本的開發(fā)。該版本專為Arm® Cortex®-M、MSP430和RISC-V等嵌入式平臺而設計。Embedded Rust開發(fā)工具可用于Windows、macOS和眾多Linux發(fā)行版，當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的實例之前，我們先來了解幾個獨特概念，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：
?外設訪問箱 (PAC)：PAC為microchip的外圍設備提供直接接口。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用程序的需求。
?硬件抽象層 (HAL)：HAL構建在芯片的PAC之上，并提供不需要深入了解芯片獨特行為的抽象。通常，它們將整個外圍設備抽象成一個結構（也稱struct），例如可用于向片上外圍設備發(fā)送數(shù)據或從其發(fā)送數(shù)據的統(tǒng)一結構。
?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，然后為外圍設備編寫驅動程序，或者在crate聚合站上搜索驅動程序。
STMicroelectronics電路板的實例
Rust嵌入式生態(tài)系統(tǒng)最關鍵的部分是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。embedded-hal的目標是在為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)軟件時，實現(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的特征和抽象。這些特征提供標準化的API以便與外設交互，從而簡化了可移植嵌入式代碼的編寫。
embedded-hal的主要優(yōu)點之一是它的平臺無關性。使用embedded-hal編寫的代碼可在各種微控制器架構和開發(fā)板上運行，無需修改，只要目標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特的功能或特性，您可以為這些功能實現(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微控制器上重復使用，只要根據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備，就沒問題。
結語
Rust編程語言是為了彌補C語言的不足而設計，特別是在嵌入式系統(tǒng)中。憑借包管理、更好的內存管理、安全的并發(fā)和現(xiàn)代化的數(shù)據結構等特性，Rust比C語言有了顯著改進。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計的工作室和技術咨詢機構，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知。他擁有馬里蘭州專業(yè)工程師資質，并擁有約翰·霍普金斯大學的系統(tǒng)工程碩士學位。
下載文檔
