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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，在服务端配合 gRPC 也已经应用非常广泛了，可以说已经是相当很成熟了；然而相比之下 Rust 还是旁观的多，实际用的少，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，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，吉祥物也是硬壳的螃蟹，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，如果一门语言想要应用到嵌入式，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)，将编译任务传递到后端实际的编译器来进行编译，这样就可以编译出不同指令集的程序。但是在 Rust 1.28 之后，终于拥抱 LLVM，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)，先将源码翻译为 LLVM IR，再由后端生成不同指令集的程序，效率高，还能兼容不同平台。

![](

)

所以在 Rust 积极拥抱 LLVM 之后，在嵌入式领域开发更加方便了，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，这在 Rust 的[主页](https://www.rust-lang.org/tools/install)上已经介绍得很详细了，安装也很简单。

不过值得注意的是，在 Windows 下安装 Rust 会提示需要安装 Visual Studio，其实这并不是必须的，前面提到了 Rust 已经集成了 LLVM，所以本身就可以直接编译，不需要而外的编译器。当然，有些 rust 组件安装还是需要自己电脑上有编译器的，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，重启一下控制台，应当能运行 rustup (工具链管理)，rustc (编译器)，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，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，所以 rust 提供了 cargo 软件包管理器，可以 cargo new 生成项目，cargo build 编译，cargo run 运行，非常方便。

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

```

$ 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)

```

rustup 还可以列出当前主机的编译器，我默认用的是 mysis 提供的 gnu-gcc：

```

$ rustup toolchain list

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

```

rustup 也可以用来安装新的 rust 组件，例如 cargo 软件包管理器， LLVM 工具：

```

$ rustup component list

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

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

```

所以 rus 组成常用的就是 rustup 管理工具链，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。

![](

)

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

比如我们以这个 crate 的例程为例，首先把源码下载下来：

```

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

```

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

```

[dev-dependencies]

cortex-m = "0.6.2"

cortex-m-rt = "0.6.12"

```

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

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

```

[build]

target = "thumbv7m-none-eabi"

```

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

```

/* Linker script for the STM32F103RCT6 */

MEMORY

{

FLASH : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 256K

RAM : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 48K

}

```

在编译之前，之前提到过需要为目标开发板提供预编译的运行环境 (runtime)：

```

$ rustup target add thumbv7m-none-eabi

```

终于可以开始编译了，例如编译例程的 image_i2c：

```

$ cargo build --example image_i2c --release

```

前面提到，也可以在这里指定目标 MCU 的指令集：

```

$ cargo build --example image_i2c --release --target=thumbv7m-none-eabi

```

编译完成就可以看到在 target/thumbv7m-none-eabi/release/examples 下多了，但是这个文件有 1M 多大小，很明显是包含了调试信息的 elf 文件，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，可以在 [GNU-Toolchain](https://developer.arm.com/tools-and-software/open-source-software/developer-tools/gnu-toolchain/gnu-rm/downloads) 下载。

```

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

```

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，这里顺便以 GD32F103 的 Longan Naon 开发板为例，介绍一下 rust 依赖的组成。

![](

)

大致是这样的组成：

- 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，GD32F103的 Bumblebee 内核是 华中科技大学 对面芯来科技设计的，而 GD32F103 的 RUST HAL 实现刚好是华科本科生写的，恰好我也是华科的研究生，太巧了 ;)

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

比如我们先下载下来项目：

```

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

```

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

```

$ rustup target add riscv32imac-unknown-none-elf

```

接下来我们就可以编译了：

```

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

```

同样的，编译之后我们需要用 objcopy 生成 bin 文件：

```

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

```

熟悉了这样的流程之后会发现其实挺顺手的，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。

![](

)

## Issues

最后这里有一个没有解决的小问题，上面编译虽然用的都是 rust 工具链，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。

```

$ cargo install cargo-binutils

$ rustup component add llvm-tools-preview

```

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

```

$ cargo objcopy --target riscv32imac-unknown-none-elf --example ferris --release --features=lcd -- -O binary ferris.bin

```

## 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]