使用 Rust 進行嵌入式開發

在過去的幾年裡，Rust 在程序員中獲得了熱情的追捧。技術潮流來來去去，所以很難將僅僅因為某項新技術而產生的興奮與對某項技術的優點的興奮區分開來，但我認為 Rust 是一種真正設計良好的語言。它的目標是幫助開發者建立可靠和高效的軟體，而且它從一開始就是為這個目的設計的。你可能聽過一些 Rust 的關鍵特性，在這篇文章中，我會證明這些特性正是 Rust 也恰好適合嵌入式系統的原因。比如：

• 高性能：它速度快，內存利用率高
• 可靠性：在編譯過程中可以消除內存錯誤
• 生產力：很棒的文檔，友好的編譯器，有用的錯誤信息，以及一流的工具化。它有一個集成的包管理器和構建工具，智能的多編輯器支持自動補完和類型檢查、自動格式化等等。

為什麼使用 Rust 進行嵌入式開發？

Rust 的設計是為了保證安全和高性能。嵌入式軟體會出現的問題主要是內存的問題。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安全使用內存。以下是使用 Rust 在嵌入式設備上開發的一些好處：

• 強大的靜態分析
• 靈活的內存
• 無畏的並發性
• 互操作性
• 可移植性
• 社區驅動

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

如何在 C 語言中調用 Rust

在 C 代碼中調用 Rust 代碼時，你必須將 Rust 源代碼打包成靜態庫文件。當 C 代碼編譯時，將其鏈接進去。

用 Rust 創建一個靜態庫

在這個過程中，有兩個步驟：

1、使用 cargo init --lib rust_to_c 在 Clion 中建立一個 lib 庫。在 lib.rs 中加入以下代碼。下面的函數計算兩個類型為 i32 的值的總和並返回結果：

#![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 要生成什麼類型的庫：

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

交叉編譯

你可以針對你的目標平台進行交叉編譯。假設你的嵌入式系統是基於 Arm 的，步驟很簡單：

$ rustup target add armv7a-none-eabi

生成靜態庫文件：

$ 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 工具會從 Rust 庫中生成一個 C 或 C++11 的頭文件：

$ cargo install --force cbindgen

2、在你的項目文件夾下創建一個新的 cbindgen.toml 文件。

3、生成一個頭文件：

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

調用 Rust 庫文件

現在你可以對你的 Rust 庫進行調用了。

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 文件並添加一個靜態庫：

   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、在主函數中調用 sum 函數，得到返回值，並 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) = %dn", tmp);

       return 0;
   }

4、在 RT-Thread Env 環境中，使用 scons 來編譯項目並運行：

$ 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 中實現一些複雜的數學運算。在 lib.rs 文件中，使用 Rust 語言來實現加、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{}
}

構建你的庫文件和頭文件，並把它們放在應用程序目錄中。使用 scons 來編譯。如果在鏈接過程中出現錯誤，請在官方 Github 頁面 中找到解決方案。

修改 rtconfig.py 文件，並添加鏈接參數 --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 = ''

編譯並運行 QEMU 來看看你的工作。

在 Rust 中調用 C 語言

Rust 可以在 C 代碼中調用，但是如何在你的 Rust 代碼中調用 C 呢？下面是一個在 Rust 代碼中調用 rt_kprintf C 函數的例子。

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 rustn" 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

而現在，要運行代碼，將 Rust 生成的庫文件複製到應用程序目錄中，然後重新構建：

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

再次運行 QEMU，可以在你的嵌入式鏡像中看到結果。

你可以擁有這一切

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

via: https://opensource.com/article/21/10/rust-embedded-development

作者：Alan Smithee 選題：lujun9972 譯者：wxy 校對：wxy

本文由 LCTT 原創編譯，Linux中國 榮譽推出

本文轉載來自 Linux 中國: https://github.com/Linux-CN/archive