Rust 嵌入式开发

基于 Embedded Rust Book、embedded-hal 与 RTIC。

Capability Boundaries

✅ 强项

1. no_std 环境配置（#![no_std]、#![no_main]、extern crate alloc）
2. panic_handler 定义
3. Cortex-M 启动（cortex-m-rt：#[entry]、#[interrupt]、异常向量、startup）
4. 嵌入式 HAL（embedded-hal trait：OutputPin、InputPin、DelayMs、I2c、Spi）
5. 外设访问（PAC：Peripherals::take、寄存器读写、VolatileCell）
6. GPIO 控制（输入/输出/推挽/开漏/上拉/下拉）
7. 定时器/PWM/ADC/UART 外设控制
8. 中断处理（NVIC 配置、enable/disable、优先级、#[interrupt]）
9. RTIC（app! 宏、硬件/软件任务、shared/local 资源、spawn、消息传递）
10. 链接脚本配置（memory.x）

⚠️ 前置要求

1. 了解目标微控制器架构（Cortex-M、RISC-V 等）
2. Rust 基础（rust-1.93）

❌ 不适用范围

1. Web 服务器 → 使用 rust-web 技能
2. CLI 应用 → 使用 rust-cli 技能

何时使用

• "用 Rust 做嵌入式"
• "no_std 环境配置"
• "控制 GPIO"
• "RTIC 实时框架"
• "外设中断处理"

Data Privacy

本技能不收集、存储或传输任何用户数据。

---

一、no_std 环境

// 禁用标准库
#![no_std]
#![no_main]

use core::panic::PanicInfo;

#[panic_handler]
fn panic(_info: &PanicInfo) -> ! {
    loop {}
}

// 使用 alloc（需要全局分配器）
extern crate alloc;
use alloc::vec::Vec;

二、Cortex-M 启动

// Cargo.toml
// [dependencies]
// cortex-m = "0.7"
// cortex-m-rt = "0.7"
// panic-halt = "0.2"

#![no_std]
#![no_main]

use cortex_m_rt::entry;
use panic_halt as _;

#[entry]
fn main() -> ! {
    loop {}
}

三、嵌入式 HAL

// Cargo.toml
// [dependencies]
// rp2040-hal = "0.10"
// embedded-hal = "1.0"

use embedded_hal::delay::DelayNs;
use embedded_hal::digital::OutputPin;
use rp2040_hal::gpio::Pins;

// GPIO 控制
fn blink(led: &mut impl OutputPin, delay: &mut impl DelayNs) {
    led.set_high().ok();
    delay.delay_ms(500);
    led.set_low().ok();
    delay.delay_ms(500);
}

// 使用通用 HAL trait 编写可移植驱动
pub struct LedDriver<P: OutputPin> {
    pin: P,
}

impl<P: OutputPin> LedDriver<P> {
    pub fn new(pin: P) -> Self {
        Self { pin }
    }
    pub fn on(&mut self) { self.pin.set_high().ok(); }
    pub fn off(&mut self) { self.pin.set_low().ok(); }
}

四、外设访问（PAC）

// PAC crate: 如 rp2040-pac、stm32f4-pac
use rp2040_pac::Peripherals;

let mut peripherals = Peripherals::take().unwrap();

// 寄存器读写（通过 svd2rust 生成的 API）
peripherals.PADS_BANK0.gpio25.modify(|_, w| w.pue().set_bit());
let val = peripherals.IO_BANK0.gpio25.ctrl.read().bits();

五、中断处理

use cortex_m::peripheral::NVIC;
use stm32f4xx_hal::interrupt;

// 启用中断
unsafe { NVIC::unmask(interrupt::TIM2); }

// 设置优先级
NVIC::set_priority(interrupt::TIM2, 128);

// 中断处理函数
#[interrupt]
fn TIM2() {
    // 中断服务程序
}

六、RTIC 实时框架

// Cargo.toml
// rtic = "2"

#![no_std]
#![no_main]

use rtic::app;

#[app(device = rp2040_pac, peripherals = true)]
mod app {
    #[shared]
    struct Shared {
        counter: u32,
    }

    #[local]
    struct Local {
        led: rp2040_hal::gpio::Pin<rp2040_hal::gpio::pin::Pin25, rp2040_hal::gpio::FunctionSioOutput>,
    }

    #[init]
    fn init(cx: init::Context) -> (Shared, Local) { /* ... */ }

    // 硬件任务（绑定中断）
    #[task(binds = TIMER_IRQ_0, shared = [counter])]
    fn timer_tick(mut cx: timer_tick::Context) {
        cx.shared.counter.lock(|c| *c += 1);
    }

    // 软件任务
    #[task]
    fn background(_cx: background::Context) { /* ... */ }
}

七、链接脚本（memory.x）

/* memory.x — 在项目根目录 */
MEMORY {
    FLASH : ORIGIN = 0x10000000, LENGTH = 2M
    RAM   : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 256K
}

/* 在 build.rs 中引用 */
// fn main() {
//     println!("cargo::rustc-link-arg-bins=--nmagic");
//     println!("cargo::rerun-if-changed=memory.x");
// }

常用 Crate

用途	crate	说明
运行时	cortex-m-rt	启动 + 中断向量
HAL trait	embedded-hal	硬件抽象层
MCU HAL	rp2040-hal	RP2040
MCU HAL	stm32f4xx-hal	STM32F4
实时框架	rtic	RTIC v2
调试	defmt	高效日志
调试	probe-rs (CLI)	调试器

Workflow

Step 1. 选择硬件 — 确定目标微控制器（Cortex-M/RISC-V/其他） Step 2. 配置 no_std 环境 — 设置 #![no_std]、panic_handler、链接脚本 Step 3. 初始化外设 — 使用 PAC crate 获取外设所有权，配置时钟 Step 4. 实现 HAL 驱动 — 使用 embedded-hal trait 编写可移植的外设驱动 Step 5. 处理中断 — 配置 NVIC，编写中断处理函数 Step 6. 部署与调试 — 使用 probe-rs/OpenOCD 烧录和调试固件

Gotchas

1. #![no_std] 项目可用 alloc crate - 在支持堆分配时可以 Vec、String
2. Cortex-M 中断处理函数不能有参数 - #[interrupt] fn 必须是 fn() 类型
3. embedded-hal 1.0 OutputPin::set_high() 返回 Result
4. cortex_m::Peripherals::take() 只能成功一次 - 第二次返回 None
5. RTIC spawn 在硬件任务中需用 spawn_after - 普通 spawn 不可用

官方参考

• Embedded Rust Book
• embedded-hal docs
• RTIC Book
• cortex-m-rt docs