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Rust 介紹Rust 是一門注重安全的語言，相比于 C/C++/ASM 有著更高級的抽象能力、編譯器帶來的安全特性與廣泛友好的社區支持。Linux 與 Windows 內核也都基于 Rust 的安全性和性能引入了 Rust。

Rust 有很多優勢，內存安全、并發安全、生態系統、包管理與構建管理，同時也有與 C/C++ 相同等級的性能。Rust 通過強化所有權和借用的概念，盡力消除了開發過程中可能出現的內存問題。同時作為一門現代語言，有著許多方便的特性與豐富的生態資源，如統一的包管理，高可讀代碼等等。

但 Rust 也有美中不足，如缺乏對底層的完全控制，學習難度高，編譯時間長等。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 中能夠通過指針進行的簡單操作在 Rust 中需要十分復雜的操作，這也導致 Rust 的學習難度更高。

本文會對在 NXP MCX 平臺上使用 Rust 進行簡單介紹。在本文中使用 FRDM-MCXN947 為例，所有的例子均運行在 Core0 上。

安裝Rust工具鏈Rust 工具鏈的安裝十分簡單，參考Rustup即可。默認狀態下，Rustup 工具只會安裝本機的 TARGET ，為了能夠在我們的 MCU 上運行編譯產物，需要安裝對應的 TARGET 。可以通過運行如下命令來添加 armv8m hard-float 支持。

rustup target add thumbv8m.main-none-eabihf

同樣，如果我們想為其他平臺編譯，像 cortex-m3 ，則需要運行：

rustup target add thumbv8m.main-none-eabihf

如果要在沒有 FPU 的 Core1 上運行，則需要使用命令rustup target add thumbv8m.main-none-eabi添加thumbv8m.main-none-eabi target，注意無 hf 尾綴，代表不使用硬件浮點數 ABI

創建項目

在添加支持后，在我們想要保存項目的文件夾運行命令cargo new mcx-example創建一個名為 mcx-example 的工程，同時創建一個配置文件 .cargo/config.toml 來指定編譯參數和默認 target。

創建的 .cargo/config.toml 文件內容如下：

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


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

接下來添加必要的依賴， Cargo.toml 的內容應該與下面的內容類似:

[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"

讓我簡單介紹各個依賴的作用：

cortex-m 該庫引入了 Cortex-M 架構的定義和一些抽象，如常見的匯編指令，中斷等
cortex-m-rt 這個庫是 Cortex-M 架構的通用運行時，提供一套內置的linker script 和 ResetHandler 的實現等等
mcxn947-pac 包含了 MCXN947 的寄存器定義，中斷定義
panic-halt 實現默認的 panic handler

示例：點燈

說起具體介紹，當然舉個例子-點燈：

// src/main.rs


#![no_std] // 無標準庫
#![no_main] // 無入口


// 提供一個 panic 實現
extern crate panic_halt;


use cortex_m_rt::entry;
use mcxn947_pac as pac;


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


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


    // 設置 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 庫提供的方便的抽象，使用 SysTick timer 來進行延時
    // 在默認情況下 SysTick 的頻率與主頻相同，在這段代碼中我們沒有對時鐘進行配置，所以默認為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 main, 所以即使我們的代碼中有 main 函數，它也不會被當作真正的 “main” 函數看待。同時 #[entry] 標志該函數被鏈接到 cortex-m-rt 庫中內置鏈接腳本中的 “main” 函數。

添加一份 memory.x ，這是一份 linker script ，在 cortex-m-rt 庫中包含的默認 linker script 中有 include memory.x 的定義。所以我們需要添加一份，顧名思義，這份文件包含內存定義，同時如果我們想把特定數據或函數放在某個段也是可以在這定義。

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

運行命令 cargo build 進行構建，產物位于 target/thumbv8m.main-none-eabihf/debug/mcx-example 格式為 elf 。

使用任意工具把產物加載到 MCU 上，就以 jlink 為例，首先把產物轉成 hex 格式，arm-none-eabi-objcopy -O ihex target/thumbv8m.main-none-eabihf/debug/mcx-example mcx-example.hex，然后使用 jflashLite 加載。

功能正常實現。

如果需要 Debug, 請參考使用VSCode調試嵌入式程序：配置與使用多樣化的gdb server：

示例：按鍵開燈

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 的時鐘
    dp.SYSCON0
        .ahbclkctrl0()
        .modify(|_r, w| w.port0().enable().gpio0().enable());


    // 設置 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) }


    // 在關閉中斷的情況下向全局變量寫入數據
    // 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然可以不使用 Mutex ，而是直接使用一個 static mut FLAG_BTN_PRESSED: bool = false ，但有關于該變量的所有操作都需要使用 unsafe 標簽，這在正常的開發過程中應該是極力避免的，因為這種 unsafe 操作會導致 data race 。Mutex 是一個簡單包裝，使用一個 CriticalSection 標志來實現，cortex_m::free 提供一個簡單的臨界區實現，即關閉所有中斷。或者可以使用原子操作 core::AtomicBool, static FLAG_BTN_PRESSED: AtomicBool = AtomicBool::new(false);

cortex_m::free 使用一個 lambda 函數來在其操作前后添加關閉、打開中斷的操作。

雖然看起來寫起來很麻煩，但實際上編譯結果并沒有多余的操作，所有看上去繁瑣的操作實際上只是指導編譯器如何編譯，并不會生成實際的代碼，例如中斷中的 cs 變量，它并沒有實際的大小。

同樣燒錄進 MCU ，按下 ISP 按鍵即可控制燈的開關。

使用HAL

上述兩個例子均直接使用寄存器進行操作，方法過于原始，可以使用 HAL 庫來簡化操作。HAL 庫正在積極開發中，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();


    // 設置 pin 的狀態更方便了
    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);
    });
}

如果我們想要使用其他中斷，該怎么知道它的名字呢？十分簡單，所有的中斷定義都在 mcxn947-pac::Interrupt 中。

這個例子同樣是使用 ISP 按鍵來控制紅燈的開關。

Linkerscript

將特定的數據放置在特定的位置，也是嵌入式開發中常見的操作，那么怎么在 Rust 上實現呢？

修改 memory.x 即可：

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
}

如果要把中斷函數放在 RAM 里，需要一點額外操作，首先需要去掉過程宏#[interrupt]。
#[interrupt]可以看作是#[export_name = ...]和一段代碼展開的縮寫。
我們可以去掉它，手動加上一些宏來達到同樣的效果。首先添加#[no_mangle]防止編譯器對它重新命名，或者使用#[export_name = ...]來讓它的名字是中斷名。
然后添加#[link_section = ...]來讓它鏈接到MY_RAM中。

#[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.

查看編譯結果，確認中斷被我們放進了 MY_RAM 里：