使用 Rust 進(jìn)行嵌入式開發(fā)

作者：Alan Smithee 2021-10-26 21:50:10

Rust 的高性能、高可靠性和高生產(chǎn)力使它適合于嵌入式系統(tǒng)。在過去的幾年里，Rust 在程序員中獲得了熱情的追捧。技術(shù)潮流來來去去，所以很難將僅僅因?yàn)槟稠?xiàng)新技術(shù)而產(chǎn)生的興奮與對某項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)的興奮區(qū)分開來，但我認(rèn)為 Rust 是一種真正設(shè)計(jì)良好的語言。

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Rust 的高性能、高可靠性和高生產(chǎn)力使它適合于嵌入式系統(tǒng)。

在過去的幾年里，Rust 在程序員中獲得了熱情的追捧。技術(shù)潮流來來去去，所以很難將僅僅因?yàn)槟稠?xiàng)新技術(shù)而產(chǎn)生的興奮與對某項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)的興奮區(qū)分開來，但我認(rèn)為 Rust 是一種真正設(shè)計(jì)良好的語言。它的目標(biāo)是幫助開發(fā)者建立可靠和高效的軟件，而且它從一開始就是為這個(gè)目的設(shè)計(jì)的。你可能聽過一些 Rust 的關(guān)鍵特性，在這篇文章中，我會(huì)證明這些特性正是 Rust 也恰好適合嵌入式系統(tǒng)的原因。比如：

高性能：它速度快，內(nèi)存利用率高
可靠性：在編譯過程中可以消除內(nèi)存錯(cuò)誤
生產(chǎn)力：很棒的文檔，友好的編譯器，有用的錯(cuò)誤信息，以及一流的工具化。它有一個(gè)集成的包管理器和構(gòu)建工具，智能的多編輯器支持自動(dòng)補(bǔ)完和類型檢查、自動(dòng)格式化等等。

為什么使用 Rust 進(jìn)行嵌入式開發(fā)？

Rust 的設(shè)計(jì)是為了保證安全和高性能。嵌入式軟件會(huì)出現(xiàn)的問題主要是內(nèi)存的問題。從某種程度上說，Rust 是一種面向編譯器的語言，所以你可以確保在編譯時(shí)安全使用內(nèi)存。以下是使用 Rust 在嵌入式設(shè)備上開發(fā)的一些好處：

強(qiáng)大的靜態(tài)分析
靈活的內(nèi)存
無畏的并發(fā)性
互操作性
可移植性
社區(qū)驅(qū)動(dòng)

在這篇文章中，我使用開源的 RT-Thread 操作系統(tǒng) 來演示如何使用 Rust 進(jìn)行嵌入式開發(fā)。

如何在 C 語言中調(diào)用 Rust

在 C 代碼中調(diào)用 Rust 代碼時(shí)，你必須將 Rust 源代碼打包成靜態(tài)庫文件。當(dāng) C 代碼編譯時(shí)，將其鏈接進(jìn)去。

用 Rust 創(chuàng)建一個(gè)靜態(tài)庫

在這個(gè)過程中，有兩個(gè)步驟：

1、使用 cargo init --lib rust_to_c 在 Clion 中建立一個(gè) lib 庫。在 lib.rs 中加入以下代碼。下面的函數(shù)計(jì)算兩個(gè)類型為 i32 的值的總和并返回結(jié)果：

#![no_std]
use core::panic::PanicInfo;
 
#[no_mangle]
pub extern "C" fn sum(a: i32, b: i32) -> i32 {
    a + b
}
 
#[panic_handler]
fn panic(_info:&PanicInfo) -> !{
    loop{}
}

2、在你的 Cargo.toml 文件中添加以下代碼，以告訴 Rustc 要生成什么類型的庫：

[lib]
name = "sum"
crate-type = ["staticlib"]
path = "src/lib.rs"

交叉編譯

你可以針對你的目標(biāo)平臺(tái)進(jìn)行交叉編譯。假設(shè)你的嵌入式系統(tǒng)是基于 Arm 的，步驟很簡單：

$ rustup target add armv7a-none-eabi

生成靜態(tài)庫文件：

$ cargo build --target=armv7a-none-eabi --release --verbose
Fresh rust_to_c v0.1.0
Finished release [optimized] target(s) in 0.01s

生成頭文件

你也需要頭文件：

1、安裝 cbindgen。cbindgen 工具會(huì)從 Rust 庫中生成一個(gè) C 或 C++11 的頭文件：

$ cargo install --force cbindgen

2、在你的項(xiàng)目文件夾下創(chuàng)建一個(gè)新的 cbindgen.toml 文件。

3、生成一個(gè)頭文件：

$ cbindgen --config cbindgen.toml --crate rust_to_c --output sum.h

調(diào)用 Rust 庫文件

現(xiàn)在你可以對你的 Rust 庫進(jìn)行調(diào)用了。

1、把生成的 sum.h 和 sum.a 文件放到 rt-thread/bsp/qemu-vexpress-a9/applications 目錄下。

2、修改 SConscript 文件并添加一個(gè)靜態(tài)庫：

   from building import *
   
   cwd     = GetCurrentDir()
   src     = Glob('*.c') + Glob('*.cpp')
   CPPPATH = [cwd]
   
   LIBS = ["libsum.a"]
   LIBPATH = [GetCurrentDir()]
   
   group = DefineGroup('Applications', src, depend = [''], CPPPATH = CPPPATH, LIBS = LIBS, LIBPATH = LIBPATH)
   
   Return('group')

3、在主函數(shù)中調(diào)用 sum 函數(shù)，得到返回值，并 printf 該值：

   #include <stdint.h>
   #include <stdio.h>
   #include <stdlib.h>
   #include <rtthread.h>
   #include "sum.h"
   
   int main(void)
   {
       int32_t tmp;
   
       tmp = sum(1, 2);
       printf("call rust sum(1, 2) = %d\n", tmp);
   
       return 0;
   }

4、在 RT-Thread Env 環(huán)境中，使用 scons 來編譯項(xiàng)目并運(yùn)行：

$ scons -j6
scons: Reading SConscript files ...
scons: done reading SConscript files.
scons: Building targets ...
[...]
scons: done building targets.
 
$ qemu.sh
 \ | /
- RT -     Thread Operating System
 / | \     4.0.4 build Jul 28 2021
2006 - 2021 Copyright by rt-thread team
lwIP-2.1.2 initialized!
[...]
call rust sum(1, 2) = 3

加、減、乘、除

你可以在 Rust 中實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。在 lib.rs 文件中，使用 Rust 語言來實(shí)現(xiàn)加、減、乘、除：

#![no_std]
use core::panic::PanicInfo;
 
#[no_mangle]
pub extern "C" fn add(a: i32, b: i32) -> i32 {
    a + b
}
 
#[no_mangle]
pub extern "C" fn subtract(a: i32, b: i32) -> i32 {
    a - b
}
 
#[no_mangle]
pub extern "C" fn multiply(a: i32, b: i32) -> i32 {
    a * b
}
 
#[no_mangle]
pub extern "C" fn divide(a: i32, b: i32) -> i32 {
    a / b
}
 
#[panic_handler]
fn panic(_info:&PanicInfo) -> !{
    loop{}
}

構(gòu)建你的庫文件和頭文件，并把它們放在應(yīng)用程序目錄中。使用 scons 來編譯。如果在鏈接過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，請?jiān)诠俜?nbsp;Github 頁面中找到解決方案。

修改 rtconfig.py 文件，并添加鏈接參數(shù) --allow-multiple-definition：

       DEVICE = ' -march=armv7-a -marm -msoft-float'
       CFLAGS = DEVICE + ' -Wall'
       AFLAGS = ' -c' + DEVICE + ' -x assembler-with-cpp -D__ASSEMBLY__ -I.'
       LINK_SCRIPT = 'link.lds'
       LFLAGS = DEVICE + ' -nostartfiles -Wl,--gc-sections,-Map=rtthread.map,-cref,-u,system_vectors,--allow-multiple-definition'+\
                         ' -T %s' % LINK_SCRIPT
   
       CPATH = ''
       LPATH = ''

編譯并運(yùn)行 QEMU 來看看你的工作。

在 Rust 中調(diào)用 C 語言

Rust 可以在 C 代碼中調(diào)用，但是如何在你的 Rust 代碼中調(diào)用 C 呢？下面是一個(gè)在 Rust 代碼中調(diào)用 rt_kprintf C 函數(shù)的例子。

首先，修改 lib.rs 文件：

    // The imported rt-thread functions list
    extern "C" {
        pub fn rt_kprintf(format: *const u8, ...);
    }
   
    #[no_mangle]
    pub extern "C" fn add(a: i32, b: i32) -> i32 {
        unsafe {
            rt_kprintf(b"this is from rust\n" as *const u8);
        }
        a + b
    }

接下來，生成庫文件：

$ cargo build --target=armv7a-none-eabi --release --verbose
Compiling rust_to_c v0.1.0
Running `rustc --crate-name sum --edition=2018 src/lib.rs --error-format=json --json=diagnostic-rendered-ansi --crate-type staticlib --emit=dep-info,link -C opt-level=3 -C embed-bitcode=no -C metadata=a
Finished release [optimized] target(s) in 0.11s

而現(xiàn)在，要運(yùn)行代碼，將 Rust 生成的庫文件復(fù)制到應(yīng)用程序目錄中，然后重新構(gòu)建：

$ scons -j6 scons: Reading SConscript files ... scons: done reading SConscript files. [...]
scons: Building targets ... scons: done building targets.

再次運(yùn)行 QEMU，可以在你的嵌入式鏡像中看到結(jié)果。

你可以擁有這一切

在你的嵌入式開發(fā)中使用 Rust，你可以獲得 Rust 的所有功能，而不需要犧牲靈活性或穩(wěn)定性。今天就在你的嵌入式系統(tǒng)上試試 Rust 吧。關(guān)于嵌入式 Rust 的過程（以及 RT-Thread 本身）的更多信息，請查看 RT-Thread 項(xiàng)目的 YouTube 頻道。請記住，嵌入式也可以是開放的。

責(zé)任編輯：龐桂玉來源： Linux中國