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rust嵌入式开发零基础入门教程(一)

news 2025/7/25 12:27:43

1. 为什么选择 Rust 进行嵌入式开发？

传统上，嵌入式开发主要使用 C 或 C++。虽然它们很强大，但也伴随着一些固有的挑战，比如内存安全问题（野指针、内存泄漏）和复杂的并发编程。Rust 正是为了解决这些痛点而生的。

以下是 Rust 在嵌入式领域的一些核心优势：

内存安全，无 GC (Garbage Collection)： Rust 通过所有权系统 (Ownership System)、借用 (Borrowing) 和生命周期 (Lifetimes)，在编译时强制执行内存安全。这意味着你不用担心运行时出现空指针引用、数据竞争等问题，同时也避免了垃圾回收器带来的性能开销和不确定性，这对于资源受限的嵌入式系统至关重要。
零成本抽象： Rust 提供了强大的抽象能力（如泛型、Trait），但这些抽象在编译时会被优化掉，几乎不会产生额外的运行时开销，使得你可以编写高层次、易读的代码，同时获得接近汇编语言的性能。
强大的类型系统： 严格的类型检查帮助你在编译阶段捕获大量错误，减少调试时间。
并发安全： Rust 的所有权系统也扩展到了并发编程，有效防止了数据竞争，让你能更安全地编写多线程代码。
优秀的工具链： Rust 拥有 cargo (包管理器和构建系统)、rustfmt (代码格式化工具)、clippy (Linter) 等一系列强大且易用的工具，极大地提高了开发效率。
活跃的社区和生态： 围绕嵌入式 Rust 的社区正在迅速发展，提供了大量库（crates）和支持资源。

2. 设置你的开发环境

在开始编写代码之前，需要配置好开发环境。

2.1 安装 Rust 工具链

首先，安装 Rust。我们使用 rustup，它是 Rust 的官方安装程序和工具链管理器。

打开终端 (Terminal) 或命令提示符 (Command Prompt)。
运行以下命令：
```
curl --proto '=https' --tlsv1.2 -sSf https://sh.rustup.rs | sh
```
- Windows 用户： 推荐下载并运行 rustup-init.exe 安装程序，你可以从 Rust 官网获取。或者在 WSL (Windows Subsystem for Linux) 中运行上述 curl 命令。
- 按照提示进行安装，通常选择默认安装即可（Proceed with installation (default)）。
验证安装： 安装完成后，关闭并重新打开你的终端或命令提示符，然后运行：
```
rustc --version
cargo --version
```
如果显示版本号，说明 Rust 编译器 (rustc) 和包管理器 (cargo) 已经成功安装。

2.2 安装嵌入式开发所需组件

为了进行嵌入式开发，我们需要添加特定的 Rust 目标 (target) 和一些工具。

添加 thumbv7em-none-eabihf 目标： 这是 ARM Cortex-M 微控制器（例如 STM32 系列）常用的目标。thumbv7em 指的是 Cortex-M4/M7 处理器架构，none 表示不依赖操作系统（裸机），eabihf 表示支持硬件浮点运算。
```
rustup target add thumbv7em-none-eabihf
```
如果你使用其他 ARM Cortex-M 系列，可能需要添加其他目标，例如 thumbv6m-none-eabi (Cortex-M0/M0+) 或 thumbv7em-none-eabi (Cortex-M3)。
安装 cargo-generate： 这是一个代码生成工具，可以帮助我们快速从模板创建新的 Rust 项目。
```
cargo install cargo-generate
```
安装 cortex-m-cli： 这是 Cortex-M 开发的命令行工具集，包含了一些实用工具，如调试器等。
```
cargo install cortex-m-cli
```
安装 probe-run (可选但推荐)： 这是一个用于直接在微控制器上运行和调试程序的工具，非常方便。它需要你连接一个调试探针（如 ST-Link, J-Link）。
```
cargo install probe-run
```

2.3 安装代码编辑器 (推荐 VS Code)

一个好的代码编辑器能大大提升开发体验。Visual Studio Code (VS Code) 是一个非常受欢迎的选择，它拥有强大的 Rust 扩展支持。

下载并安装 VS Code： Visual Studio Code - Code Editing. Redefined
安装 Rust 插件：
- 打开 VS Code。
- 点击左侧的“扩展”图标（或按 Ctrl+Shift+X）。
- 搜索并安装 "rust-analyzer" 插件。这是 Rust 的语言服务器，提供了代码补全、错误检查、跳转定义等功能。
- 你可能还会想安装 "crates" 插件，它能帮你管理 Cargo.toml 中的依赖。

3. 编写你的第一个 "Hello, World!" 嵌入式程序 (非硬件)

在真正烧录到硬件之前，我们先创建一个基于模拟环境的“嵌入式”项目，让你感受一下 Rust 嵌入式项目的结构。

3.1 创建新项目

我们将使用一个社区维护的模板来快速生成一个 Cortex-M 的 Rust 项目。

选择一个工作目录，然后在终端中进入该目录。

运行 cargo generate 命令创建项目：

cargo generate --git https://github.com/rust-embedded/cortex-m-quickstart

当提示 Project Name: 时，输入你的项目名称，例如： hello-cortex-m
- cargo generate 会根据模板为你生成一个完整的项目结构。

3.2 了解项目结构

进入你刚刚创建的项目目录 (cd hello-cortex-m)，你会看到类似这样的文件结构：

hello-cortex-m/
├── .cargo/
│   └── config.toml         # Cargo 配置，用于指定目标、运行器等
├── .vscode/                # VS Code 配置 (可选)
│   └── launch.json         # 调试配置
├── src/
│   ├── main.rs             # 你的主程序代码
│   └── lib.rs              # 库文件 (如果有的话)
├── Cargo.toml              # Cargo 项目配置文件
├── memory.x                # 内存布局脚本 (重要！)
└── build.rs                # 构建脚本 (可选)

Cargo.toml： Rust 项目的核心配置文件，定义了项目的元数据、依赖项等。
src/main.rs： 你的 Rust 源代码文件。
.cargo/config.toml： 这个文件很重要，它配置了 cargo 命令在构建和运行嵌入式项目时的行为，例如指定了交叉编译目标和运行调试器。
memory.x： 这是一个链接器脚本，它告诉链接器如何将你的程序代码和数据放置在微控制器的内存（RAM 和 Flash）中。在裸机嵌入式开发中，你需要手动管理内存布局。

3.3 编写 "Hello, World!"

打开 src/main.rs 文件，你会看到一个基本的裸机程序框架。我们将修改它来打印一条消息。

Rust

#![no_std] // 不使用 Rust 标准库，因为嵌入式环境通常没有操作系统
#![no_main] // 不使用 Rust 的默认 main 函数（入口点），我们需要自己定义// 导入必要的宏和模块
use panic_halt as _; // 发生 panic 时停止程序
use cortex_m_rt::entry; // Cortex-M 运行时入口点宏// 引入 `cortex-m-debug` crate，用于打印消息（通过调试器）
use cortex_m_semihosting::{hprintln}; // `hprintln!` 宏用于通过半主机模式打印#[entry]
fn main() -> ! {// 打印 "Hello, World!" 到调试控制台hprintln!("Hello, Embedded Rust World!").unwrap();// 这是一个裸机程序，通常会进入一个无限循环，等待中断或执行任务loop {// 你可以在这里添加其他代码，例如点亮LED}
}

代码解释：

#![no_std] 和 #![no_main]：这两个属性告诉 Rust 编译器，这是一个裸机程序，不依赖标准的 std 库，并且我们需要自己定义程序入口点。
use panic_halt as _;：当程序发生不可恢复的错误（panic）时，这个 crate 会让 CPU 停止执行，防止程序崩溃。
use cortex_m_rt::entry;：这是一个宏，标记了 main 函数为 Cortex-M 微控制器的程序入口点。
use cortex_m_semihosting::{hprintln};：cortex-m-semihosting 是一个库，它提供了一种通过调试器与开发主机进行通信的方式，称为半主机模式 (Semihosting)。hprintln! 就是通过这种模式将文本打印到你的调试器控制台。
#[entry]：宏，将 main 函数标记为程序的实际入口点。
fn main() -> !：main 函数的签名。-> ! 表示这个函数永不返回（因为它会进入一个无限循环）。
loop { ... }：一个无限循环，在嵌入式系统中，主程序通常会进入一个循环来持续运行。

3.4 构建项目

在项目根目录（hello-cortex-m）下，运行构建命令：

cargo build --release

cargo build：用于编译你的项目。
--release：以发布模式编译，这会进行更多的优化，生成更小、更快的二进制文件（调试模式通常更大，包含调试信息）。

如果一切顺利，你会看到编译成功的提示。生成的二进制文件（.elf 格式）会位于 target/thumbv7em-none-eabihf/release/ 目录下，名为 hello-cortex-m。

3.5 运行 "Hello, World!" (模拟/仿真)

要在没有实际硬件的情况下看到 "Hello, World!" 的输出，你需要一个能够模拟 Cortex-M 的工具。

QEMU (快速入门模拟) QEMU 是一个通用的开源机器模拟器和虚拟器。我们可以用它来模拟 Cortex-M CPU，而无需真正的开发板。
1. 安装 QEMU：
  - Linux (Debian/Ubuntu): sudo apt install qemu-system-arm
  - macOS (Homebrew): brew install qemu
  - Windows: 从 QEMU 官网下载安装包并安装。确保将 QEMU 的可执行文件路径添加到系统环境变量 PATH 中。
2. 运行你的程序： 在 hello-cortex-m 项目的根目录下，运行：
```
qemu-system-arm -cpu cortex-m3 -nographic -semihosting -kernel target/thumbv7em-none-eabihf/release/hello-cortex-m
```
  - -cpu cortex-m3: 指定模拟的 CPU 类型。即使你使用的是 thumbv7em 目标，cortex-m3 在 QEMU 中通常是一个稳定的选择来运行简单的 Cortex-M 程序。
  - -nographic: 不显示图形界面。
  - -semihosting: 启用半主机模式，这样 hprintln! 的输出才能显示在终端。
  - -kernel: 指定要加载并运行的固件文件。
如果一切正常，应该会在终端看到 Hello, Embedded Rust World! 的输出。