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Rust 嵌入式开发 STM32 & RISC-V

发布于 2020-04-03 11:07:06

本帖最后由 wuhanstudio 于 2020-4-3 11:58 编辑

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[md]# Rust 嵌入式开发 STM32 & RISC-V

- Preface

- Introduction

- Rust on STM32F103

- Rust on RISC-V

- Issues

- Reference

## Preface

最近 Mozilla 的 Rust 和 Google 的 Golang 两门新语言非常受关注。


不过 Golang 除了 Docker 这个标志性的项目&＃xff0c;在服务端配合 gRPC 也已经应用非常广泛了&＃xff0c;可以说已经是相当很成熟了&＃xff1b;然而相比之下 Rust 还是旁观的多&＃xff0c;实际用的少&＃xff0c;微软和 Facebook 也都只是宣称实验性地尝试用 Rust 实现一些新功能&＃xff0c;毕竟 Facebook 也在研发自己的操作系统。

Rust 的官方主页标语就是 reliable and efficient&＃xff0c;吉祥物也是硬壳的螃蟹&＃xff0c;自然就有人想到把 Rust 应用到安全可靠的嵌入式。


嵌入式的特点就在于指令集 (ISA) 特别多&＃xff0c;如果一门语言想要应用到嵌入式&＃xff0c;首先自然是得能编译出兼容不同指令集的程序。Rust 早期编译器是 rustc 提供代理 (proxy)&＃xff0c;将编译任务传递到后端实际的编译器来进行编译&＃xff0c;这样就可以编译出不同指令集的程序。但是在 Rust 1.28 之后&＃xff0c;终于拥抱 LLVM&＃xff0c;Golang 和 Swift 也都是积极拥抱 LLVM(LLVM 势不可挡)。LLVM 特点就是在于提供抽象的 IR (intermediate representation)&＃xff0c;先将源码翻译为 LLVM IR&＃xff0c;再由后端生成不同指令集的程序&＃xff0c;效率高&＃xff0c;还能兼容不同平台。

![](

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所以在 Rust 积极拥抱 LLVM 之后&＃xff0c;在嵌入式领域开发更加方便了&＃xff0c;接下来就介绍一下如何在 STM32 (Cortex M3) 和 GD32 (RISC-V) 上用 Rust 开发。

## Prerequisites

首先自然是得搭建好 Rust 的开发环境&＃xff0c;这在 Rust 的[主页](https://www.rust-lang.org/tools/install)上已经介绍得很详细了&＃xff0c;安装也很简单。

不过值得注意的是&＃xff0c;在 Windows 下安装 Rust 会提示需要安装 Visual Studio&＃xff0c;其实这并不是必须的&＃xff0c;前面提到了 Rust 已经集成了 LLVM&＃xff0c;所以本身就可以直接编译&＃xff0c;不需要而外的编译器。当然&＃xff0c;有些 rust 组件安装还是需要自己电脑上有编译器的&＃xff0c;比如后面会提到的 [cargo-binutils](https://github.com/rust-embedded/cargo-binutils)。不过在 Windows 安装 Rust 的时候暂且跳过 Visual Studio 也是完全没有问题的 ;)

如果安装好 Rust 的开发环境&＃xff0c;重启一下控制台&＃xff0c;应当能运行 rustup (工具链管理)&＃xff0c;rustc (编译器)&＃xff0c;cargo (软件包管理)。

## Introduction

这里简单介绍一下 Rust 的组成。

首先 rustc 是编译器&＃xff0c;可以用 rustc 编译 rust 程序 (*.rs)生成二进制文件。但是一个个文件手动 rustc 编译是非常辛苦的&＃xff0c;所以 rust 提供了 cargo 软件包管理器&＃xff0c;可以 cargo new 生成项目&＃xff0c;cargo build 编译&＃xff0c;cargo run 运行&＃xff0c;非常方便。

rustup 这个工具是用来管理 rust 工具链的&＃xff0c;前面提到 rust 集成了 LLVM&＃xff0c;但是程序要想在嵌入式环境运行&＃xff0c;除了编译器还需要一个运行环境(Runtime)&＃xff0c;而 rustup target list 就可以看到不同的目标环境&＃xff0c;这些环境会提供编译好的 rust-std&＃xff0c;例如我安装好了 riscv 和 armv7 的环境。

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$ rustup target list

riscv32imac-unknown-none-elf (installed)

riscv32imc-unknown-none-elf

riscv64gc-unknown-linux-gnu

riscv64gc-unknown-none-elf

riscv64imac-unknown-none-elf

s390x-unknown-linux-gnu

sparc64-unknown-linux-gnu

sparcv9-sun-solaris

thumbv6m-none-eabi

thumbv7em-none-eabi

thumbv7em-none-eabihf

thumbv7m-none-eabi (installed)

&＃96;&＃96;&＃96;

rustup 还可以列出当前主机的编译器&＃xff0c;我默认用的是 mysis 提供的 gnu-gcc&＃xff1a;

&＃96;&＃96;&＃96;

$ rustup toolchain list

stable-x86_64-pc-windows-gnu (default)

&＃96;&＃96;&＃96;

rustup 也可以用来安装新的 rust 组件&＃xff0c;例如 cargo 软件包管理器&＃xff0c; LLVM 工具&＃xff1a;

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$ rustup component list

cargo-x86_64-pc-windows-gnu (installed)

llvm-tools-preview-x86_64-pc-windows-gnu (installed)

&＃96;&＃96;&＃96;

所以 rus 组成常用的就是 rustup 管理工具链&＃xff0c;cargo 开发项目。

## Rust on STM32F103

首先介绍一下如何在 STM32F103 上用 Rust 驱动经典的 SSD1306。

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这里用到的是 [ssd1306](https://crates.io/crates/ssd1306) 这个 crate (Rust 的软件包叫 crate&＃xff0c;发布在 crate.io)。

比如我们以这个 crate 的例程为例&＃xff0c;首先把源码下载下来&＃xff1a;

&＃96;&＃96;&＃96;

$ git clone https://github.com/jamwaffles/ssd1306

&＃96;&＃96;&＃96;

简单介绍一下 rust 项目的组成&＃xff0c;Cargo.toml 这个文件里定义了项目的依赖&＃xff0c;定义格式很简单&＃xff0c;例如这里定义了项目依赖 cortex-m 的 runtime&＃xff1a;

&＃96;&＃96;&＃96;

[dev-dependencies]

cortex-m &＃61; "0.6.2"

cortex-m-rt &＃61; "0.6.12"

&＃96;&＃96;&＃96;

在 Cargo.toml 里面定义好依赖之后&＃xff0c;编译的时候会自动下载依赖&＃xff0c;非常方便。

在编译之前&＃xff0c;首先当然是要确定目标开发板的硬件&＃xff0c;比如这里要告诉 rust 我们希望生成 stm32f103 的目标(thumbv7em-none-eabi)&＃xff0c;而这个是在项目根目录 .cargo/config 文件里指定的&＃xff0c;当然也可以编译的时候用命令行参数传进去 --target&＃61;thumbv7em-none-eabi

&＃96;&＃96;&＃96;

[build]

target &＃61; "thumbv7m-none-eabi"

&＃96;&＃96;&＃96;

虽然现在指定了 MCU 的指令集架构&＃xff0c;但是我们并没有告诉编译器开发板的 Flash&＃xff0c;RAM 资源&＃xff0c;为了让 rust 知道该如何链接&＃xff0c;和 Keil 一样需要指定链接脚本&＃xff0c;打开 memory.x 就可以看到了&＃xff0c;这里我把 Flash 和 RAM 改成了 stm32f103rct6 的配置&＃xff0c;默认是 stm32f103c8t6.

&＃96;&＃96;&＃96;

/* Linker script for the STM32F103RCT6 */

MEMORY

{

FLASH : ORIGIN &＃61; 0x08000000, LENGTH &＃61; 256K

RAM : ORIGIN &＃61; 0x20000000, LENGTH &＃61; 48K

}

&＃96;&＃96;&＃96;

在编译之前&＃xff0c;之前提到过需要为目标开发板提供预编译的运行环境 (runtime)&＃xff1a;

&＃96;&＃96;&＃96;

$ rustup target add thumbv7m-none-eabi

&＃96;&＃96;&＃96;

终于可以开始编译了&＃xff0c;例如编译例程的 image_i2c&＃xff1a;

&＃96;&＃96;&＃96;

$ cargo build --example image_i2c --release

&＃96;&＃96;&＃96;

前面提到&＃xff0c;也可以在这里指定目标 MCU 的指令集&＃xff1a;

&＃96;&＃96;&＃96;

$ cargo build --example image_i2c --release --target&＃61;thumbv7m-none-eabi

&＃96;&＃96;&＃96;

编译完成就可以看到在 target/thumbv7m-none-eabi/release/examples 下多了&＃xff0c;但是这个文件有 1M 多大小&＃xff0c;很明显是包含了调试信息的 elf 文件&＃xff0c;我们需要用 objcopy 生成最后上传到开发板的 bin 文件。

这里我用的是 arm-none-eabi-objcopy&＃xff0c;可以在 [GNU-Toolchain](https://developer.arm.com/tools-and-software/open-source-software/developer-tools/gnu-toolchain/gnu-rm/downloads) 下载。

&＃96;&＃96;&＃96;

$ arm-none-eabi-objcopy -O binary target/thumbv7m-none-eabi/release/examples/image_i2c image_i2c.bin

&＃96;&＃96;&＃96;

最后把生成的 bin 文件用 st-link 或者其他工具上传到开发板就可以了 ;)

## Rust on RISC-V

在 risc-v 的开发板上用 rust 开发其实也差不多&＃xff0c;这里顺便以 GD32F103 的 Longan Naon 开发板为例&＃xff0c;介绍一下 rust 依赖的组成。

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大致是这样的组成&＃xff1a;

- rust 处理器依赖 [riscv](https://github.com/rust-embedded/riscv)

- rust 运行环境 [riscv-rt](https://github.com/rust-embedded/riscv-rt)

- 嵌入式 HAL 依赖 [embedded-hal](https://crates.io/crates/embedded-hal)

- MCU 的 HAL 实现 [gd32vf103xx-hal](https://github.com/riscv-rust/gd32vf103xx-hal)

- MCU 的 bsp 支持 [longan-nano](https://github.com/riscv-rust/longan-nano)

不过这些都已经写好了&＃xff0c;GD32F103的 Bumblebee 内核是 华中科技大学 对面芯来科技设计的&＃xff0c;而 GD32F103 的 RUST HAL 实现刚好是华科本科生写的&＃xff0c;恰好我也是华科的研究生&＃xff0c;太巧了 ;)

所以用 rust 开发嵌入式不需要重复实现相同的功能&＃xff0c;使用开源的 crate 软件包就可以了。

比如我们先下载下来项目&＃xff1a;

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$ git clone https://github.com/riscv-rust/longan-nano/

&＃96;&＃96;&＃96;

项目结构和之前是一模一样的&＃xff0c;这里就不重复介绍了&＃xff0c;和之前一样&＃xff0c;编译前需要添加 risc-v 的运行环境&＃xff1a;

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$ rustup target add riscv32imac-unknown-none-elf

&＃96;&＃96;&＃96;

接下来我们就可以编译了&＃xff1a;

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$ cargo build --release --example ferris --features lcd

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同样的&＃xff0c;编译之后我们需要用 objcopy 生成 bin 文件&＃xff1a;

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$ riscv-none-embed-objcopy -O binary target/riscv32imac-unknown-none-elf/release/examples/ferris ferris.bin

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熟悉了这样的流程之后会发现其实挺顺手的&＃xff0c;这里的工具链我是用的芯来科技官网的 [RISC-V GNU Tool](https://www.nucleisys.com/download.php)。

最后自然是用 dfu-utils 把 bin 文件上传到开发板了。

![](

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## Issues

最后这里有一个没有解决的小问题&＃xff0c;上面编译虽然用的都是 rust 工具链&＃xff0c;但是连接其实还是用到了 arm-gcc 和 riscv-gcc。

rust 其实提供了 [cargo-binutils](https://github.com/rust-embedded/cargo-binutils) 可以调用 LLVM 的 objcopy 来生成最终的二进制文件。

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$ cargo install cargo-binutils

$ rustup component add llvm-tools-preview

&＃96;&＃96;&＃96;

不过我用这个工具生成的 bin 传到开发板里没有正常运行&＃xff0c;不知道有没有办法解决。

&＃96;&＃96;&＃96;

$ cargo objcopy --target riscv32imac-unknown-none-elf --example ferris --release --features&＃61;lcd -- -O binary ferris.bin

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## Reference

- Rust LLVM https://docs.rust-embedded.org/embedonomicon/compiler-support.html

- Rust 嵌入式教程 https://rust-embedded.github.io/book/

- Rust 嵌入式列表 https://github.com/rust-embedded/awesome-embedded-rust[/md]