rust嵌入式开发零基础入门教程(五)

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好的，欢迎来到 Rust 嵌入式开发零基础入门教程的第五部分！在之前的教程中，我们已经掌握了环境搭建、Rust 核心概念以及通过 GPIO 和中断控制 LED 和按钮。现在，我们将进入嵌入式系统中的一个核心通信方式：串行通信，具体来说是 UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)。

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14. 深入理解串行通信 (UART/USART)

串行通信是嵌入式设备与电脑、其他微控制器或外设（如 GPS 模块、蓝牙模块）进行数据交换最常用的方式之一。其中，UART 是最简单也是最常见的异步串行通信协议。

14.1 什么是 UART？

UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) 是一种硬件模块，用于在两个设备之间发送和接收数据。它的特点是：

• 异步 (Asynchronous)：收发双方不需要共享同一个时钟信号。它们各自有自己的时钟，并通过数据中的起始位 (Start Bit) 和 停止位 (Stop Bit) 来同步。

• 点对点 (Point-to-Point)：通常用于两个设备之间的直接通信。

• 全双工 (Full-Duplex)：可以同时发送和接收数据，通过独立的发送 (TX) 和接收 (RX) 线实现。

• 低成本，简单实现：硬件开销小，软件实现相对简单。

14.2 UART 的工作原理

数据通过串行方式传输，即一次传输一个比特位。以下是发送和接收的基本步骤：

发送方：

1. 数据帧化：并行数据（例如一个字节）被转换成串行数据流。

2. 添加起始位：发送一个低电平（逻辑 0）作为起始位，通知接收方数据即将到来。

3. 发送数据位：发送 5 到 9 个数据位（通常是 8 位），先发送最低位 (LSB) 或最高位 (MSB)。

4. 添加奇偶校验位 (可选)：用于错误检测。

5. 添加停止位：发送 1 个、1.5 个或 2 个高电平（逻辑 1）作为停止位，表示一个数据帧结束。

6. 空闲状态：在数据帧之间，线路保持高电平。

接收方：

1. 检测到起始位的下降沿，开始接收。

2. 根据预设的波特率 (Baud Rate)，在每个比特位的中间采样电平。

3. 接收所有数据位、奇偶校验位和停止位。

4. 检查停止位和奇偶校验位，判断是否有错误。

5. 将串行数据转换回并行数据。

14.3 关键参数

使用 UART 时，收发双方必须就以下参数达成一致：

• 波特率 (Baud Rate)：每秒传输的比特数，例如 9600 bps, 115200 bps。这是最重要的参数，收发双方必须一致。

• 数据位 (Data Bits)：每个数据帧中包含的数据位数，通常是 8 位。

• 奇偶校验位 (Parity Bit)：可选，用于简单的错误检测（奇校验或偶校验）。

• 停止位 (Stop Bits)：表示数据帧结束的位数，通常是 1 位。

在大多数嵌入式应用中，常见的配置是 8N1：8 数据位，无奇偶校验 (N)，1 停止位。

14.4 UART 的引脚

通常，每个 UART 外设至少有两根引脚：

• TX (Transmit)：数据发送引脚。

• RX (Receive)：数据接收引脚。

在 STM32 微控制器上，通常会有多个 UART/USART 外设（例如 USART1, USART2, UART4 等），每个外设对应一组特定的 GPIO 引脚。你需要查阅芯片的数据手册或开发板原理图，确定哪个 GPIO 引脚对应你想要使用的 UART 的 TX 和 RX。

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15. 编写 UART 回显 (Echo) 程序

我们将编写一个程序，通过 USB 转串口模块（或者开发板内置的虚拟串口）接收电脑发送过来的字符，然后将接收到的字符原样发送回电脑。这被称为“回显”程序。

15.1 硬件准备

• STM32 Nucleo-64 系列开发板： （如 STM32F401RE 或 STM32F411RE）。这些板子通常内置一个 ST-Link 调试器，它也提供了一个虚拟 COM 端口 (VCP)，可以通过 USB 线与电脑进行串行通信。你无需额外购买 USB 转串口模块。

  • TX (发送)：PA2 (USART2_TX)

  • RX (接收)：PA3 (USART2_RX)

• 串口终端软件： 在电脑上，你需要一个串口终端软件来发送和接收数据。

  • Windows： PuTTY, Xshell, SecureCRT, Termite 等。

  • macOS： CoolTerm, Screen (命令行工具，screen /dev/cu.usbmodemXXXX 115200)。

  • Linux： minicom, picocom, screen。

15.2 修改 Cargo.toml

我们需要确保 Cargo.toml 中包含了正确的 HAL 库。如果没有，请添加或更新：

Ini, TOML

# hello-cortex-m/Cargo.toml[package]
name = "hello-cortex-m"
version = "0.1.0"
authors = ["Your Name <[e-mail]>"]
edition = "2021"[dependencies]
cortex-m-rt = "0.7.0"
# panic-halt = "0.2.0" # 如果需要调试信息，也可以替换为 panic-probe 或 panic-semihosting
panic-halt = "0.2.0" # 保持简单，panic 时停止# --- 确保这一行存在且正确 ---
# 替换为你的芯片对应的 HAL 库及 features
# 例如，STM32F401RE 芯片
stm32f4xx-hal = { version = "0.15.0", features = ["stm32f401", "rt"] }
# --- 确保这一行存在且正确 ---# cortex-m-semihosting = "0.5.0" # 回显程序中通常通过 UART 打印，这个可以暂时注释掉
# cortex-m = "0.7.0" # 如果用 hprintln 需要

15.3 编写 src/main.rs (UART 回显程序)

现在，打开 src/main.rs 文件，并将其内容替换为以下代码：

Rust

#![no_std] // 不使用 Rust 标准库
#![no_main] // 不使用 Rust 的默认 main 函数use panic_halt as _; // panic 时停止 CPU// 导入核心运行时
use cortex_m_rt::entry;
// 导入 HAL 库及外设模块
use stm32f4xx_hal::{pac,prelude::*,serial::{Config, DataBits, Parity, StopBits, Serial}, // 导入串口相关模块
};#[entry]
fn main() -> ! {// 1. 获取对外设的访问权限let dp = pac::Peripherals::take().unwrap();// let cp = cortex_m::Peripherals::take().unwrap(); // 回显程序不需要内核外设，可以省略// 2. 配置时钟let rcc = dp.RCC.constrain();// 注意：这里的时钟配置需要和你的开发板以及串口波特率计算匹配// 对于 F401RE，84MHz 的系统时钟，USART2 默认连接到 APB1 总线 (通常是 42MHz)// 115200 波特率在 42MHz 下是可行的let clocks = rcc.cfgr.use_hse(8.MHz()).sysclk(84.MHz()).freeze();// 3. 配置 GPIO 引脚为 USART2 功能let gpioa = dp.GPIOA.split();// PA2: USART2_TX (发送) - 复用推挽输出let tx_pin = gpioa.pa2.into_alternate();// PA3: USART2_RX (接收) - 复用输入let rx_pin = gpioa.pa3.into_alternate();// 4. 配置并启用 USART2// 传入 USART2 外设实例、TX/RX 引脚、串口配置和时钟let serial = Serial::new(dp.USART2, // 选择 USART2 外设(tx_pin, rx_pin), // 传入 TX 和 RX 引脚Config::default() // 使用默认配置.baudrate(115_200.bps()) // 设置波特率为 115200.data_bits(DataBits::DataBits8) // 8 数据位.parity(Parity::ParityNone) // 无奇偶校验.stop_bits(StopBits::Stop1), // 1 停止位clocks, // 时钟信息).unwrap();// 将串口实例分解为发送器 (tx) 和接收器 (rx)let (mut tx, mut rx) = serial.split();// 5. 主循环：回显接收到的字符loop {// 尝试从串口接收一个字节// `read` 方法是非阻塞的，如果 RX 缓冲区没有数据会返回 `Err(nb::WouldBlock)`// `block!` 宏来自 `nb` crate，它会阻塞当前线程直到操作完成// 对于初学者，`read().unwrap()` 会在出错时 panic，实际项目中需要更完善的错误处理if let Ok(byte) = rx.read() {// 如果成功接收到字节，则将其发送回去// `write` 方法同样是非阻塞的，`block!` 宏会阻塞直到发送完成tx.write(byte).unwrap(); // 将接收到的字节发送回去}}
}

代码解释：

1. 导入串口相关模块: use stm32f4xx_hal::{serial::{Config, DataBits, Parity, StopBits, Serial}, ...};：从 HAL 库中导入 Serial 结构体、配置参数等。

2. 时钟配置 (clocks): 再次强调，时钟配置至关重要。UART 的波特率是根据外设总线时钟来计算的。对于 STM32F4xx 系列，USART2 通常连接到 APB1 总线。如果 sysclk 是 84MHz，那么 APB1 的时钟通常是 42MHz（如果 APB1 分频器设置为 /2）。115200 bps 在 42MHz 下是常用的、精确度较好的波特率。

3. GPIO 引脚复用配置:

   • tx_pin = gpioa.pa2.into_alternate();：将 PA2 配置为复用功能 (Alternate Function)。对于 STM32，GPIO 引脚可以作为通用输入/输出，也可以被复用为其他外设（如 UART、SPI、I2C）的功能。into_alternate() 就是将其配置为复用功能模式。HAL 库会自动处理具体的复用功能选择。

   • rx_pin = gpioa.pa3.into_alternate();：同理，将 PA3 配置为复用功能。

4. 初始化串口 (Serial::new):

   • dp.USART2: 传入要使用的 UART 外设实例。

   • (tx_pin, rx_pin): 传入配置好的 TX 和 RX 引脚。

   • Config::default().baudrate(115_200.bps()).data_bits(DataBits::DataBits8).parity(Parity::ParityNone).stop_bits(StopBits::Stop1): 配置串口的波特率、数据位、奇偶校验和停止位。这必须和你的电脑串口终端软件的设置一致！

   • clocks: 传入时钟配置，用于计算波特率分频值。

5. 拆分串口实例 (serial.split()): let (mut tx, mut rx) = serial.split();：Serial 实例被拆分为一个 Tx（发送器）和一个 Rx（接收器）对象，这样你就可以独立地进行发送和接收操作。

6. 主循环 (loop) 中的回显逻辑:

   • if let Ok(byte) = rx.read(): 尝试从 rx 接收一个字节。read() 方法通常是非阻塞的，意味着如果当前没有数据，它不会等待，而是立即返回一个错误（nb::WouldBlock）。这里我们用了 if let Ok(...) 来处理成功接收的情况。

   • tx.write(byte).unwrap();: 如果成功接收到字节，就使用 tx.write() 方法将其发送出去。unwrap() 在这里是为了简化代码，但在实际项目中，应该使用更健壮的错误处理方式（例如 match 语句）。

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16. 构建、烧录和测试

16.1 构建项目

保存 src/main.rs 文件后，在项目根目录（hello-cortex-m）下，运行构建命令：

Bash

cargo build --release

如果编译成功，则生成固件文件。

16.2 烧录并运行

确保你的开发板已通过 USB 连接到电脑，并且 probe-run 配置正确：

Bash

cargo run --release

probe-run 会自动编译（如果需要），烧录，并运行你的程序。

16.3 测试 UART 回显功能

1. 打开设备管理器 (Windows) / 运行 ls /dev/tty.* (macOS) / ls /dev/ttyS* 或 ls /dev/ttyUSB* (Linux)，查找你的开发板对应的串口号。

   • 对于 STM32 Nucleo 板，它通常会显示为 STMicroelectronics STLink Virtual COM Port，并分配一个 COM 端口号（例如 COMx 在 Windows 上，/dev/ttyACM0 或 /dev/ttyUSB0 在 Linux 上，/dev/cu.usbmodemXXXX 在 macOS 上）。

   • 记住这个串口号。

2. 打开你的串口终端软件 (如 PuTTY)。

   • 选择 "Serial" 连接类型。

   • Serial line (串口号)：输入你刚刚找到的串口号（例如 COMx）。

   • Speed (波特率)：设置为 115200（与代码中设置的 115_200.bps() 保持一致）。

   • Data bits (数据位)：8

   • Stop bits (停止位)：1

   • Parity (奇偶校验)：None

   • Flow control (流控制)：None

   • 点击 "Open" 连接串口。

3. 发送和接收数据：

   • 在串口终端的输入区域输入一些字符（例如 "Hello, Rust!"）。

   • 按下回车或发送按钮。

   • 你应该能在终端的输出区域看到你刚刚发送的字符被原样回显回来。

如果一切正常，恭喜你！你已经成功实现了 Rust 嵌入式项目中的 UART 串行通信。

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恭喜你！

你已经掌握了 Rust 嵌入式开发中一个非常实用的技能：UART 串行通信！这是与外部世界交互的关键，为你的嵌入式项目打开了更多可能性。

下一步可以尝试：

• 实现简单的命令解析： 不仅仅是回显，尝试接收特定的命令字符串（例如 "LED_ON" 或 "LED_OFF"），然后根据命令执行相应的操作（例如点亮或熄灭 LED）。

• 发送传感器数据： 如果你有传感器（例如温度传感器，我们后续教程可能会涉及），可以将传感器数据通过 UART 发送到电脑进行显示。

• 探索其他 UART 配置： 尝试改变波特率、数据位、奇偶校验或停止位，并在代码和串口终端软件中同步修改，看看它们如何影响通信。

• 异步读取： 了解 nb (non-blocking) crate 的 WouldBlock 错误，并尝试在不阻塞 loop 循环的情况下读取数据。

在下一个教程中，我们可能会深入探讨定时器或者更复杂的外设通信协议（如 I2C 或 SPI），这取决于大家的需求。