嵌入式 Rust 之书---第一章 引言

目录

*谁适合使用嵌入式Rust

*范围

*本书适用于谁

*如何使用本书

*为本书作贡献

1.1 了解你的硬件

1.2 一个no_std的Rust环境

1.3 工具

1.4 安装工具 

1.4.1 Linux

1.4.2 macOS 

1.4.3 Windows 

1.4.4 验证安装

---

欢迎阅读《嵌入式 Rust 之书》：关于在“裸机”嵌入式系统（如微控制器）上使用Rust编程语言的入门书。

*谁适合使用嵌入式Rust

嵌入式Rust适用于所有想要进行嵌入式编程的人，同时Rust语言提供了更高级别的概念和安全保证。（可参考《Rust编程语言》） 

*范围

本书的目标是： 

• 让开发人员快速掌握嵌入式Rust开发。 即如何建立开发环境。
• 分享有关使用Rust进行嵌入式开发的最新实践。 即如何最好地使用Rust语言功能来编写更正确的嵌入式软件。
• 在某些情况下可用作参考书。例如，如何在单个项目中混合C和Rust？ 

本书试图尽可能地通用，但为了使读者和作者更容易，它在所有示例中都使用了ARM Cortex-M架构。但是，本书并不假设读者熟悉这种特定的体系结构，并在需要时解释了该体系结构的特定细节。 

*本书适用于谁

本书适合具有某些嵌入式背景或某些Rust背景的人，但我们相信每个对嵌入式Rust编程感兴趣的人都可以从本书中获得一些东西。对于那些没有任何预备知识的人，我们建议您阅读“假设和先决条件”小节，了解缺失的知识，以便从书中获得更多信息并改善您的阅读体验。 您可以查看“其他资源”小节，以查找有关您可能想要了解的主题的资源。

假设和先决条件

• 您可以使用Rust编程语言，并且可以在桌面环境中编写、运行和调试Rust应用程序。你也应该熟悉2018年版的语法，因为这本书使用的是2018版的Rust。
• 您可以使用其他语言（如C，C ++或Ada）开发和调试嵌入式系统，并熟悉以下概念：

1. 交叉编译
2. 内存映射外设
3. 中断
4. 常见接口，如I2C，SPI，串口等。

其他资源

如果您不熟悉上述任何内容，或者如果您想了解本书中提到的特定主题的更多信息，您可能会发现其中一些资源很有用。

 

*如何使用本书

这本书通常假设你是从前到后阅读它。后面的章节以前面章节中的概念为基础，前面的章节可能不会深入研究某个主题的细节，在后面的章节中重新讨论该主题。本书将使用STM32F103ZET6开发板作为示例演示平台。 该板基于ARM Cortex-M架构，虽然基于此架构的大多数CPU的基本功能相同，但微控制器的外设和其他实现细节在不同供应商之间是不同的，并且通常甚至在同一供应商的微控制器系列之间也不同。

建议在学习中，根据自己的开发板情况，适当修改书中的示例！

*为本书作贡献

本书的工作在此存储库中进行协调，主要由资源团队开发。

如果您无法按照本书中的说明进行操作，或者发现本书的某些部分不够清晰或难以理解，那么这就是一个错误，应该在本书的问题跟踪器中进行报告。 

非常欢迎提交拼写错误和添加新内容的请求！

1.1 了解你的硬件

认真了解一下自己购买的开发板，翻译过程中我会使用我手上的开发板，如下图：

这块板包含什么？

• STM32F103ZET6 芯片 

1. 具有 64KB SRAM、512KB FLASH
2. 2 个基本定时器、4 个通用定时器、2 个高级定时器
3. 2 个 DMA 控制器（共 12 个通道）
4. 3 个 SPI、 2 个 IIC、 5个串口、 1 个 USB、 1个 CAN
5.  3 个 12 位ADC、 1 个 12 位 DAC
6. 1 个 SDIO 接口、 1 个FSMC 接口以及 112 个通用 IO 口

• 使用了 8 个 LED，用于基础入门学习和后续的程序调试
• JLINK/JTAG 接口 ，用于下载及调试程序
• 其他如图所示

1.2 一个no_std的Rust环境

 术语“嵌入式编程”用于各种不同类型的编程。从仅使用几KB的RAM和ROM对8位MCU（如ST72325xx）进行编程，到使用32/64位4核Cortex-A53@1.4 GHz和1GB RAM的Raspberry PI（B 3+型）等系统。根据目标和用例的类型，编写代码时将应用不同的约束/限制。

有两种通用的嵌入式编程分类：

 1.主机环境

这类环境接近于正常的PC环境。这意味着您将获得一个系统接口，例如POSIX，它为您提供与各种系统（如文件系统、网络、内存管理、线程等）交互的原语。反过来，标准库通常依赖于这些原语来实现它们的功能。您可能还有某种sysroot和RAM / ROM使用限制，也许还有一些特殊的HW或I / O。总的来说，它就像是在一个特殊用途的PC环境中进行编码。

2.裸机环境

在裸机环境中，程序之前没有加载任何代码。如果没有操作系统提供的软件，我们无法加载标准库。相反，程序及其使用的crates只能使用硬件（裸机）运行。要防止Rust加载标准库，请使用no_std。标准库的平台无关部分可通过libcore获得。libcore还排除了嵌入式环境中并不总是需要的东西。其中一个是用于动态内存分配的内存分配器。如果您需要这种或任何其他功能，通常有提供这些功能的crates。

libstd运行时

如前所述，使用libstd需要某种系统集成，但这不仅是因为libstd提供了访问OS抽象的通用方法，而且还提供了运行时。除其他外，这个运行时负责设置堆栈溢出保护、处理命令行参数以及在调用程序的主函数之前生成主线程。此运行时在no_std环境中不可用。

小结

#![no_std]是一个crate-level属性，表示crate将链接到core-crate而不是std-crate。反过来，libcore crate是std crate中与平台无关的子集，它不会对程序运行的系统做出任何假设。因此，它为诸如浮点、字符串和切片之类的语言原语提供API，以及公开诸如原子操作和SIMD指令等处理器功能的API。但是，它缺少任何涉及平台集成的API。由于这些属性，no_std和libcore代码可用于任何类型的引导（阶段0）代码，如引导加载程序，固件或内核。

概述

 * 只有当你使用alloc crate并使用像alloc-cortex-m这样的合适的分配器时。

** 仅当您使用集合crate并配置全局默认分配器时。

1.3 工具

使用微控制器涉及几种不同的工具，因为我们将使用与您的笔记本电脑不同的架构，我们将不得不在远程设备上运行和调试程序。我们将使用下面列出的所有工具。如果未指定最低版本，任何最新版本都应该有效，但我们已经列出了我们测试过的版本。

• Rust 1.31,1.31-beta或更新的工具链PLUS ARM Cortex-M编译支持。（安装教程）
• cargo-binutils~0.1.4
• qemu-system-arm. 测试版本: 3.0.0
• OpenOCD >=0.8. T测试版本: v0.9.0 and v0.10.0
• 支持ARM的GDB。 版本7.12或更高版本强烈推荐。 经测试的版本：7.10,7.11,7.12和8.1
• cargo-generate or git。这些工具是可选的，但可以更容易地跟随本书。

下面的文字解释了我们使用这些工具的原因。 安装说明可在下一页找到。

cargo-generate OR git

裸机程序是非标准（no_std）Rust程序，需要对链接过程进行一些调整才能使程序的内存布局正确。这需要一些额外的文件（如链接器脚本）和设置（如链接器标志）。我们已经为您打包了这些模板，您只需要填写缺少的信息（例如项目名称和目标硬件的特征）。我们的模板与 cargo-generate兼容：一个Cargo子命令，用于从模板创建新的Cargo项目。您也可以使用git，curl，wget或Web浏览器下载模板。

cargo-binutils

cargo-binutils是Cargo子命令的集合，可以方便地使用Rust工具链附带的LLVM工具。这些工具包括objdump，nm和size的LLVM版本，用于检查二进制文件。

使用这些工具优于GNU binutils的优点是：（a）安装LLVM工具使用相同的单命令安装(rustup component add llvm-tools-preview) ，无论您的操作系统是什么；（b）像objdump这样的工具支持rustc支持的所有体系结构 - 从ARM到x86_64  - 因为它们共享相同的LLVM后端。

qemu-system-arm

QEMU是一个模拟器。在这种情况下，我们使用可以完全模拟ARM系统的变体。我们使用QEMU在主机上运行嵌入式程序。多亏了这一点，即使您没有任何硬件，也可以按照本书的某些部分进行操作！

GDB

调试器是嵌入式开发的一个非常重要的组件，因为您可能并不总是可以将内容记录到主机控制台。在某些情况下，您的硬件上甚至可能没有指示灯闪烁！

一般来说，LLDB在调试方面与GDB一样有效但我们没有找到与GDB的load命令相对应的LLDB，后者将程序上传到目标硬件，因此目前我们建议您使用GDB。

OpenOCD

 GDB无法直接与开发板上的ST-Link调试硬件通信。它需要一个翻译器，而开放式片上调试器OpenOCD就是那个翻译器。OpenOCD是一个在笔记本电脑/ PC上运行的程序，可以在基于GDB的TCP / IP远程调试协议和ST-Link基于USB的协议之间进行转换。

OpenOCD还执行其他重要工作，作为其在开发板上调试基于ARM Cortex-M的微控制器的翻译工作：

• 它知道如何与ARM CoreSight调试外设使用的内存映射寄存器进行交互。正是这些CoreSight寄存器允许：

1. 断点/观察点操作
2. 读取和写入CPU寄存器
3. 检测CPU何时因调试事件而停止
4. 遇到调试事件后继续执行CPU
5. 等等

• 它还知道如何擦除和写入微控制器的FLASH

1.4 安装工具 

此页面包含一些与工具无关的安装说明：

Rust工具链

按照https://rustup.rs上的说明安装rustup。

注意 确保编译器版本等于或高于1.31。 rustc -V应该返回比下面显示的日期更新的日期。

$ rustc -V
rustc 1.31.1 (b6c32da9b 2018-12-18)

对于带宽和磁盘使用问题，默认安装仅支持本机编译。要为ARM Cortex-M体系结构添加交叉编译支持，请选择以下编译目标之一。对于本书中用于示例的STM32F103ZET6开发板，请使用最终的thumbv7m-none-eabi目标。 

Cortex-M0，M0 +和M1（ARMv6-M架构）：

$ rustup target add thumbv6m-none-eabi

Cortex-M3（ARMv7-M架构）：

$ rustup target add thumbv7m-none-eabi

没有硬件浮点的Cortex-M4和M7（ARMv7E-M架构）：

$ rustup target add thumbv7em-none-eabi

具有硬件浮点的Cortex-M4F和M7F（ARMv7E-M架构）：

$ rustup target add thumbv7em-none-eabihf

 cargo-binutils

$ cargo install cargo-binutils

$ rustup component add llvm-tools-preview

1.4.1 Linux

以下是一些Linux发行版的安装命令。

Packages

• Ubuntu 18.04或更新/ Debian延伸或更新

注意 gdb-multiarch是您将用于调试ARM Cortex-M程序的GDB命令

sudo apt install gdb-multiarch openocd qemu-system-arm

• Ubuntu 14.04 and 16.04

 注意 arm-none-eabi-gdb是用于调试ARM Cortex-M程序的GDB命令

 sudo apt install gdb-arm-none-eabi openocd qemu-system-arm

• Fedora 27或更新版本

注意 arm-none-eabi-gdb是用于调试ARM Cortex-M程序的GDB命令 

sudo dnf install arm-none-eabi-gdb openocd qemu-system-arm

• Arch Linux

注意 arm-none-eabi-gdb是您将用于调试ARM Cortex-M程序的GDB命令

sudo pacman -S arm-none-eabi-gdb qemu-arch-extra openocd

 udev规则

此规则允许您将OpenOCD与没有root权限的Discovery板一起使用。使用下面显示的内容创建文件/etc/udev/rules.d/70-st-link.rules。

# STM32F3DISCOVERY rev A/B - ST-LINK/V2
ATTRS{idVendor}=="0483", ATTRS{idProduct}=="3748", TAG+="uaccess"

# STM32F3DISCOVERY rev C+ - ST-LINK/V2-1
ATTRS{idVendor}=="0483", ATTRS{idProduct}=="374b", TAG+="uaccess"

 然后重新加载所有udev规则：

sudo udevadm control --reload-rules

如果你把电路板插到你的笔记本上，拔下它，然后再插上。您可以通过运行以下命令来检查权限：

lsusb

应该显示出

(..)
Bus 001 Device 018: ID 0483:374b STMicroelectronics ST-LINK/V2.1
(..)

记下总线和设备号。使用这些数字创建类似/dev/bus/usb/<bus>/<device>的路径。然后像这样使用这个路径：

ls -l /dev/bus/usb/001/018

crw-------+ 1 root root 189, 17 Sep 13 12:34 /dev/bus/usb/001/018

getfacl /dev/bus/usb/001/018 | grep user

user::rw-
user:you:rw-

附加到权限的+表示存在扩展权限。getfacl命令告诉用户可以使用这个设备。

1.4.2 macOS 

可以使用Homebrew安装所有工具：

$ # GDB
$ brew install armmbed/formulae/arm-none-eabi-gcc

$ # OpenOCD
$ brew install openocd

$ # QEMU
$ brew install qemu

1.4.3 Windows 

arm-none-eabi-gdb

ARM为Windows提供.exe安装程序。从这里获取一个，按照说明操作。在安装过程完成之前勾选/选择“添加环境变量路径”选项。然后验证那些工具是否在％PATH％中：

$ arm-none-eabi-gdb -v
GNU gdb (GNU Tools for Arm Embedded Processors 7-2018-q2-update) 8.1.0.20180315-git
(..)

OpenOCD 

OpenOCD for Windows没有正式的二进制版本，但这里有非官方版本。抓取0.10.x zipfile并将其解压缩到驱动器上的某处（我建议使用C：\ OpenOCD，但使用对您有意义的驱动器号），然后更新％PATH％环境变量以包含以下路径：C：\ OpenOCD \ bin（或之前使用的路径）。使用以下命令验证OpenOCD是否在％PATH％中：

$ openocd -v
Open On-Chip Debugger 0.10.0
(..)

QEMU 

从官方网站上获取QEMU。 

ST-LINK USB driver 

您还需要安装此USB驱动程序或OpenOCD将无法正常工作。按照安装程序说明操作，确保安装正确的驱动程序版本（32位或64位）。

1.4.4 验证安装

在本节中，我们将检查是否已正确安装和配置了一些必需的工具/驱动程序。根据自己开发板情况，将开发板、STLINK和电脑连接在一起，测试arn-none-eabi-gdb、STLINK驱动和openocd是否工作正常。

由于本人的试验环境为win 7 64位旗舰版系统，所以在CMD命令行中输入如下命令（在openocd的\scripts文件夹中打开命令行）：

\scripts> openocd -f interface/stlink-v2-1.cfg -f target/stm32f1x.cfg

然后你会看到如下信息：

 

 接着，我们打开另外一个命令行窗口，输入如下命令，打开gdb调试器：

 在调试器中，输入如下命令：

注意gdb的连接端口号，可以在openocd的信息窗口中找到：

 

查看开发板的寄存器信息，验证连接是否成功：

到这里引言部分就结束了，基本的工具也安装好和验证过了。下一篇博文将开始学习Rust的嵌入式示例。有问题欢迎留言，一起讨论学习！