未來(lái)嵌入式系統(tǒng)的黃金搭檔 MCX N947遇上Rust

Rust 有很多優(yōu)勢(shì)，內(nèi)存安全、并發(fā)安全、生態(tài)系統(tǒng)、包管理與構(gòu)建管理，同時(shí)也有與 C/C++ 相同等級(jí)的性能。Rust 通過(guò)強(qiáng)化所有權(quán)和借用的概念，盡力消除了開(kāi)發(fā)過(guò)程中可能出現(xiàn)的內(nèi)存問(wèn)題。同時(shí)作為一門(mén)現(xiàn)代語(yǔ)言，有著許多方便的特性與豐富的生態(tài)資源，如統(tǒng)一的包管理，高可讀代碼等等。

但 Rust 也有美中不足，如缺乏對(duì)底層的完全控制，學(xué)習(xí)難度高，編譯時(shí)間長(zhǎng)等。由于 Rust 的安全與高抽象能力，許多非安全操作被禁止，許多在 C 中能夠通過(guò)指針進(jìn)行的簡(jiǎn)單操作在 Rust 中需要十分復(fù)雜的操作，這也導(dǎo)致 Rust 的學(xué)習(xí)難度更高。

本文會(huì)對(duì)在 NXP MCX 平臺(tái)上使用 Rust 進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。在本文中使用 FRDM-MCXN947 為例，所有的例子均運(yùn)行在 Core0 上。

rustup target add thumbv8m.main-none-eabihf

同樣，如果我們想為其他平臺(tái)編譯，像 cortex-m3 ，則需要運(yùn)行：

rustup target add thumbv8m.main-none-eabihf

如果要在沒(méi)有 FPU 的 Core1 上運(yùn)行，則需要使用命令rustup target add thumbv8m.main-none-eabi添加thumbv8m.main-none-eabi target，注意無(wú) hf 尾綴， 代表不使用硬件浮點(diǎn)數(shù) ABI

在添加支持后，在我們想要保存項(xiàng)目的文件夾運(yùn)行命令cargo new mcx-example創(chuàng)建一個(gè)名為 mcx-example 的工程， 同時(shí)創(chuàng)建一個(gè)配置文件 .cargo/config.toml 來(lái)指定編譯參數(shù)和默認(rèn) target。

[build]
target = "thumbv8m.main-none-eabihf"


[target.thumbv8m.main-none-eabihf]
rustflags = ["-C", "link-arg=-Tlink.x"]

接下來(lái)添加必要的依賴， Cargo.toml 的內(nèi)容應(yīng)該與下面的內(nèi)容類似:

[package]
name = "mcx-example"
version = "0.1.0"
edition = "2021"


[dependencies]
cortex-m = { version = "0.7.7", features = ["critical-section-single-core"] }
cortex-m-rt = "0.7.3"
mcxn947-pac = "0.0.3"
panic-halt = "0.2.0"

• cortex-m 該庫(kù)引入了 Cortex-M 架構(gòu)的定義和一些抽象，如常見(jiàn)的匯編指令，中斷等

• cortex-m-rt 這個(gè)庫(kù)是 Cortex-M 架構(gòu)的通用運(yùn)行時(shí)，提供一套內(nèi)置的linker script 和 ResetHandler 的實(shí)現(xiàn)等等

• mcxn947-pac 包含了 MCXN947 的寄存器定義，中斷定義

• panic-halt 實(shí)現(xiàn)默認(rèn)的 panic handler

說(shuō)起具體介紹，當(dāng)然舉個(gè)例子-點(diǎn)燈：

// src/main.rs


#![no_std] // 無(wú)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)
#![no_main] // 無(wú)入口


// 提供一個(gè) panic 實(shí)現(xiàn)
extern crate panic_halt;


use cortex_m_rt::entry;
use mcxn947_pac as pac;


// entry 標(biāo)志在 Reset 中跳轉(zhuǎn)到此
#[entry]
fn main() -> ! {
    let dp = pac::take().unwrap();
    let cp = pac::take().unwrap();


    // 啟用 PORT0 和 GPIO0 的時(shí)鐘
    dp.SYSCON0
        .ahbclkctrl0()
        .modify(|_r, w| w.port0().enable().gpio0().enable());


    // 設(shè)置 PIO0_10 為推挽輸出
    dp.PORT0.pcr(10).modify(|_r, w| w.mux().mux00());
    dp.GPIO0.pdor().modify(|_r, w| w.pdo10().clear_bit());
    dp.GPIO0.pddr().modify(|_r, w| w.pdd10().set_bit());


    // cortex-m 庫(kù)提供的方便的抽象，使用 SysTick timer 來(lái)進(jìn)行延時(shí)
    // 在默認(rèn)情況下 SysTick 的頻率與主頻相同，在這段代碼中我們沒(méi)有對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行配置，所以默認(rèn)為48MHz
    let mut delay = cortex_m::new(cp.SYST, 48_000_000u32);


    loop {
        delay.delay_ms(1000u32);
        dp.GPIO0.ptor().write(|w| w.ptto10().set_bit());
    }
}

#![no_main] 指定不向外暴露符號(hào) main, 所以即使我們的代碼中有 main 函數(shù)，它也不會(huì)被當(dāng)作真正的 “main” 函數(shù)看待。同時(shí) #[entry] 標(biāo)志該函數(shù)被鏈接到 cortex-m-rt 庫(kù)中內(nèi)置鏈接腳本中的 “main” 函數(shù)。

MEMORY {
     FLASH : ORIGIN = 0x00000000, LENGTH = 2M
RAM:ORIGIN=0x20000000,LENGTH=320K
}

運(yùn)行命令 cargo build 進(jìn)行構(gòu)建，產(chǎn)物位于 target/thumbv8m.main-none-eabihf/debug/mcx-example 格式為 elf 。

功能正常實(shí)現(xiàn)。

此示例主要是介紹中斷用法及Rust 的線程安全用法：

#![no_std]
#![no_main]


extern crate panic_halt;


use core::cell::{Cell, RefCell};


use cortex_m::{asm::wfi, interrupt::Mutex};
use cortex_m_rt::entry;
use mcxn947_pac as pac;
use pac::interrupt;


// Rust 的安全特性要求
static FLAG_BTN_PRESSED: Mutex> = Mutex::new(false));
static GPIO0: Mutex>> = Mutex::new(None));


#[entry]
fn main() -> ! {
    let dp = pac::take().unwrap();
    let cp = pac::take().unwrap();


    // 啟用 PORT0 和 GPIO0 的時(shí)鐘
    dp.SYSCON0
        .ahbclkctrl0()
        .modify(|_r, w| w.port0().enable().gpio0().enable());


    // 設(shè)置 PIO0_10 為推挽輸出
    dp.PORT0.pcr(10).modify(|_r, w| w.mux().mux00());
    dp.GPIO0.pdor().modify(|_r, w| w.pdo10().clear_bit());
    dp.GPIO0.pddr().modify(|_r, w| w.pdd10().set_bit());


    // 設(shè)置 PIO0_6
    dp.PORT0.pcr(6).modify(|_r, w| w.mux().mux00());
    dp.GPIO0.pddr().modify(|_r, w| w.pdd6().clear_bit());
    dp.GPIO0
        .icr(6)
        .write(|w| w.isf().clear_bit_by_one().irqs().irqs0().irqc().irqc10());


    // 啟用 GPIO00 中斷
    unsafe { pac::GPIO00) }


    // 在關(guān)閉中斷的情況下向全局變量寫(xiě)入數(shù)據(jù)
    // why: GPIO0 可能在 main 與 GPIO00 中共享
    cortex_m::free(|cs| {
        GPIO0.borrow(cs).replace(dp.GPIO0.into());
    });


    loop {
        wfi();


        cortex_m::free(|cs| {
            if FLAG_BTN_PRESSED.borrow(cs).get() {
                GPIO0
                    .borrow(cs)
                    .borrow_mut()
                    .as_mut()
                    .unwrap()
                    .ptor()
                    .write(|w| w.ptto10().set_bit());
            }
        })
    }
}


// GPIO00 中斷
#[interrupt]
fn GPIO00() {
    cortex_m::free(|cs| {
        let mut gpio = GPIO0.borrow(cs).borrow_mut();
        gpio.as_mut()
            .unwrap()
            .icr(6)
            .modify(|_r, w| w.isf().clear_bit_by_one());
        FLAG_BTN_PRESSED.borrow(cs).set(true);
    })
}

在上面這段代碼中我們當(dāng)然可以不使用 Mutex ，而是直接使用一個(gè) static mut FLAG_BTN_PRESSED: bool = false ，但有關(guān)于該變量的所有操作都需要使用 unsafe 標(biāo)簽，這在正常的開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)該是極力避免的，因?yàn)檫@種 unsafe 操作會(huì)導(dǎo)致 data race 。Mutex 是一個(gè)簡(jiǎn)單包裝，使用一個(gè) CriticalSection 標(biāo)志來(lái)實(shí)現(xiàn)，cortex_m::free 提供一個(gè)簡(jiǎn)單的臨界區(qū)實(shí)現(xiàn)，即關(guān)閉所有中斷?；蛘呖梢允褂迷硬僮?core::AtomicBool, static FLAG_BTN_PRESSED: AtomicBool = AtomicBool::new(false);

cortex_m::free 使用一個(gè) lambda 函數(shù)來(lái)在其操作前后添加關(guān)閉、打開(kāi)中斷的操作。

雖然看起來(lái)寫(xiě)起來(lái)很麻煩，但實(shí)際上編譯結(jié)果并沒(méi)有多余的操作，所有看上去繁瑣的操作實(shí)際上只是指導(dǎo)編譯器如何編譯，并不會(huì)生成實(shí)際的代碼，例如中斷中的 cs 變量，它并沒(méi)有實(shí)際的大小。

同樣燒錄進(jìn) MCU ，按下 ISP 按鍵即可控制燈的開(kāi)關(guān)。

上述兩個(gè)例子均直接使用寄存器進(jìn)行操作，方法過(guò)于原始，可以使用 HAL 庫(kù)來(lái)簡(jiǎn)化操作。HAL 庫(kù)正在積極開(kāi)發(fā)中，所以使用 GitHub 上的最新版本。添加依賴。

[package]
name = "mcx-example"
version = "0.1.0"
edition = "2021"


[dependencies]
cortex-m = { version = "0.7.7", features = ["critical-section-single-core"] }
cortex-m-rt = "0.7.3"
mcxn947-pac = "0.0.3"
panic-halt = "0.2.0"
mcx-hal = { git = "https://github.com/mcx-rs/mcx-hal.git" }

#![no_std]
#![no_main]


use embedded_hal::digital::StatefulOutputPin;
use panic_halt as _;


use core::cell::{Cell, RefCell};
use cortex_m::asm::wfi;
use cortex_m::interrupt::Mutex;
use cortex_m_rt::entry;
use mcx_hal::{self as hal, pac, pac::interrupt};


type BtnType = hal::PIO0_6>;


static FLAG_BTN_PRESSED: Mutex> = Mutex::new(false));
static BTN: Mutex>> = Mutex::new(None));


#[entry]
fn main() -> ! {
    let dp = pac::take().unwrap();


    // 設(shè)置 pin 的狀態(tài)更方便了
    let gpio0 = hal::split(dp.GPIO0, dp.PORT0);
    let mut btn = gpio0.pio0_6.into_floating_input(); 
    let mut led_r = gpio0.pio0_10.into_push_pull_output();
    btn.enable_irq(
        hal::FallingEdge,
        hal::IRQ0,
    );
    cortex_m::free(|cs| {
        BTN.borrow(cs).replace(Some(btn));
    });


    // enable GPIO0 irq
    unsafe {
        pac::GPIO00);
    }


    loop {
        wfi();


        cortex_m::free(|cs| {
            if FLAG_BTN_PRESSED.borrow(cs).get() {
                FLAG_BTN_PRESSED.borrow(cs).set(false);
                led_r.toggle().unwrap();
            }
        });
    }
}


#[interrupt]
fn GPIO00() {
    cortex_m::free(|cs| {
        let mut btn = BTN.borrow(cs).borrow_mut();
        btn.as_mut().unwrap().clear_irq_flag();
        FLAG_BTN_PRESSED.borrow(cs).set(true);
    });
}

這個(gè)例子同樣是使用 ISP 按鍵來(lái)控制紅燈的開(kāi)關(guān)。

將特定的數(shù)據(jù)放置在特定的位置，也是嵌入式開(kāi)發(fā)中常見(jiàn)的操作，那么怎么在 Rust 上實(shí)現(xiàn)呢？

MEMORY { 
FLASH:ORIGIN=0x00000000,LENGTH=1M
RAM:ORIGIN=0x20000000,LENGTH=128K
MY_RAM:ORIGIN=0x04000000,LENGTH=16K
}


SECTIONS { 
    .my_custom_data_in_my_ram (NOLOAD) : ALIGN(4) { 
(.my_custom_data_in_my_ram.my_custom_data_in_my_ram.);
.=ALIGN(4);
}>MY_RAM
}

#[link_section=".my_custom_data_in_my_ram.my_custom_name"]
#[no_mangle]
fn GPIO00() {
    cortex_m::free(|cs| {
        let mut btn = BTN.borrow(cs).borrow_mut();
        btn.as_mut().unwrap().clear_irq_flag();
        FLAG_BTN_PRESSED.borrow(cs).set(true);
    });
}

使用命令 arm-none-eabi-size -Ax target/thumbv8m.main-none-eabihf/debug/mcx-example 或者使用命令 cargo install cargo-binutils && rustup component add llvm-tools ，之后就可以 cargo size -- -Ax.

希望以上內(nèi)容可以對(duì)想使用 Rust 進(jìn)行嵌入式開(kāi)發(fā)的伙伴們提供指引與助力。

接下來(lái)，我們還將深入探索Rust 中的RTOS與實(shí)時(shí)工具，會(huì)為大家揭開(kāi)更多技術(shù)奧秘，敬請(qǐng)持續(xù)關(guān)注，精彩不容錯(cuò)過(guò)！