第17章：嵌入式 Rust

Rust 不仅能跑在服务器上，也能跑在单片机里。所有权模型在 Web 服务里防止的内存错误，正是嵌入式开发长期以来的痛点；而 no_std 让你可以完全抛开标准库，只保留语言内核。本章是一次短途导览：no_std 意味着什么、embedded-hal 抽象层如何让代码可移植，以及如何在典型单片机上点亮一颗 LED。

学习目标

理解 #![no_std] 以及 core / alloc / std 三个层次。
使用 embedded-hal trait 编写可移植的外设驱动。
为单片机目标进行交叉编译。
用 HAL/PAC crate 实现一个闪烁 LED 的程序。
知道嵌入式生态的深入方向。

17.1 三个层次：core、alloc、std

Rust 代码可以面向三个层次之一，由属性控制：

层次	提供内容	属性	典型场景
`std`	堆、线程、文件、网络	（默认）	桌面、服务端
`alloc`	`Box`、`Vec`、`String`、`Arc`	`#![no_std]` + `extern crate alloc`	OS 内核、较大的嵌入式系统
`core`	切片、迭代器、`Option`/`Result`	`#![no_std]`	单片机、引导加载器

#![no_std] 二进制会丢弃 std，只链接 core（可选地链接 alloc）。凡是只依赖 core 写成的代码，在任何地方都能用——包括 std 程序——所以库作者在可行时都倾向于写 no_std 兼容的代码。

#![allow(unused)]
#![no_std]

fn main() {
// 只有 core 可用：没有 Vec、没有 String、没有 println!、没有线程。
pub fn sum(slice: &[i32]) -> i32 {
    slice.iter().copied().sum()
}
}

17.2 `embedded-hal`：可移植的 trait

嵌入式生态的精妙之处在于 embedded-hal：一组用 trait 通用描述外设的接口——GPIO 引脚、串口、I²C 总线、定时器。只要 HAL 实现了这些 trait，针对 trait 写的代码在任何芯片上都能原样运行。

#![allow(unused)]
fn main() {
use embedded_hal::digital::OutputPin;

// 这个函数能让任何实现了 OutputPin 的引脚闪烁——任何芯片、任何 HAL。
pub fn blink<P: OutputPin>(pin: &mut P, count: u8) {
    for _ in 0..count {
        let _ = pin.set_high();
        // 延时此处省略
        let _ = pin.set_low();
    }
}
}

因为用了泛型，同一段 blink 既能在 STM32 上跑，也能在 ESP32、nRF52 上跑——改变的只是调用处的具体引脚类型。

17.3 PAC、HAL、BSP 三层结构

嵌入式 Rust 是分层的：

PAC（外设访问 crate）——由芯片的 SVD 文件生成，提供按地址访问寄存器的原始接口。
HAL（硬件抽象层）——在 PAC 之上实现 embedded-hal trait，提供安全 API。
BSP（板级支持包）——针对某块板子预先接好引脚与外设（例如“用户 LED 在 PB5”）。

通常你面向 HAL/BSP 写代码，只有用到特殊寄存器时才下沉到 PAC。

17.4 交叉编译

Rust 的交叉编译只需安装目标并让 cargo 指向它：

# 添加一个目标（示例：Cortex-M4F，常见于 STM32 / nRF52）
rustup target add thumbv7em-none-eabihf

# 不带标准库、不带 std 定义的入口点进行构建
cargo build --release --target thumbv7em-none-eabihf

目标三元组 thumbv7em-none-eabihf 编码了架构、ABI 与硬浮点。#![no_std] 二进制还需要自定义入口点和链接脚本，cortex-m-rt crate 与 cortex-m-quickstart 模板提供了这些。

17.5 闪烁程序的结构

一个 blinky 程序的大致形状（细节随 HAL 而异）：

#![no_std]
#![no_main]

use cortex_m_rt::entry;
use embedded_hal::digital::OutputPin;
use panic_halt as _;          // 提供 panic 处理器：停机

#[entry]
fn main() -> ! {
    let (mut led, mut delay) = board::take_peripherals();

    loop {
        led.set_high();
        delay.delay_ms(500);
        led.set_low();
        delay.delay_ms(500);
    }
}

三点值得注意：

#![no_main]——没有标准 main；cortex-m_rt::entry 定义了复位处理函数。
panic_halt as _——#![no_std] 二进制必须提供 panic 处理器；这里让 CPU 停机。
main -> !——嵌入式 main 永不返回，它死循环。

17.6 单片机上的异步

embedded-hal 已有异步变体，embassy 这类执行器能在没有 OS 的单片机上跑 future。于是你可以用与服务端相同的 async/await 写非阻塞驱动——一边读传感器一边让 LED 闪烁——而芯片只有几十 KB 内存。

17.7 延伸资源

The Embedded Rust Book——docs.rust-embedded.org/book——权威教程。
embedded-hal 文档——trait 参考。
probe-rs——通过调试探针烧录与调试，替代厂商工具链。
embassy——异步嵌入式框架，发展迅速。

17.8 小结

嵌入式 Rust 用 core 换掉 std，面向 embedded-hal 写可移植驱动，并用你早已熟悉的 cargo 交叉编译到裸机目标。结果是具备与服务端同等内存安全保证的单片机固件——对一个长期被缓冲区溢出与悬垂指针困扰的领域而言，这是实实在在的改变。

练习

写一个 #![no_std] 函数 fn count_ones(bytes: &[u8]) -> u32 统计置位比特数，并在主机上用 cargo test 做单元测试。
安装 thumbv7em-none-eabihf 目标，确认一个 #![no_std] crate 能为之构建。
阅读 Embedded Rust Book 第一章，为你手头的板子找出对应的 PAC、HAL、BSP。

Keyboard shortcuts

Learn Rust through examples