在這篇文章中，我們将深入探讨編程微控制器的關鍵概念。然後，為了進一步揭開它們的神秘面紗，我們将編寫一個小的 Rust 程序并在 ARM 微控制器上運行它。

這就是峰值性能的樣子。

系統可以實現的最理想化的物理形式之一是“盒子”。你給它一些輸入，它給你一些輸出。用戶不需要知道膽量或實現細節——這是黑匣子的物理表現。

如果您想構建一個盒子，您可以先使用商品服務器硬件，将其與您的軟件一起加載，然後在其上貼上徽标。但是如果你想做一個小盒子呢？或者對于商品硬件來說過于專業化的東西？

Blackmagic Mini Converter的内部

Blackmagic Mini Converters（如這款 HDMI 轉 SDI 轉換器）是使用定制 PCB 專門構建的。在它的字面上，有一個Xilinx Zynq 7000片上系統 (SoC)。該芯片具有兩個 ARM Cortex A9 處理器、一些内存、類似 FPGA 的可編程邏輯以及内置的一些其他外圍設備。

像這樣的盒子通常不運行我們所知道的操作系統。那裡沒有Linux發行版。開發人員無需将可執行文件複制到文件系統，而是将軟件直接“閃存”到芯片的閃存中。而不是通過系統調用與内核接口，軟件直接通過讀取和寫入芯片數據表中定義的稱為“寄存器”的地址與芯片接口。

我們将編寫“Hello, world!” 嵌入式系統：閃爍的 LED。我們的目标：Arduino MKR Vidor 4000。我們不會使用 Arduino 庫或開發工具，但 Arduino 硬件是一個很好的起點，因為它廣泛可用并附帶原理圖。

這個 Arduino 特别有趣，因為它包含一個 ARM Cortex-M0 微控制器和一個 Intel Cyclone FPGA。不過，對于這篇文章，我們隻會使用微控制器。

微控制器是ATSAMD21G18A。它的數據表将是我們的主要 API 參考。Cortex-M0 通用用戶指南在這裡也很有用。根據數據表：

釋放複位後，CPU 開始從複位地址 0x00000000 獲取 PC 和 SP 值。

Cortex 用戶指南更具體地說明：

複位時，處理器從地址 0x00000000 加載 MSP。

複位時，處理器向 PC 加載複位向量的值，即地址 0x00000004。

所以我們要做的就是……

1. 将我們的程序放入微控制器的閃存中。
2. 在地址 0x00000000 處放置一個指向堆棧的指針。
3. 将指向我們程序的指針放在地址 0x00000004 處。

閃爍

代碼是如何進入芯片的？根據數據表，它是使用雙引腳串行線調試 (SWD) 編程完成的。要使用 SWD 接口對其進行編程，我們需要獲取一個調試器并将其物理連接到芯片。Arduino MKR 闆上有裸露的焊盤，如果您願意焊接或裝配設備以将電線固定在其上，可用于此目的：

但這會很痛苦，而且 Arduinos 通常是通過 USB 編程的。這是由 Arduino 引導加載程序啟用的。

引導加載程序通常是您希望在微控制器上安裝的第一件事，因為它的主要工作是使設備編程更容易。Arduinos 帶有一個預裝的引導加載程序，如果用戶雙擊重置按鈕，它允許通過 USB 和 SAM-BA 協議讀取或寫入設備的内存。否則，它将跳轉到地址 0x00002000 處的代碼。

假設我們的微控制器預裝了這個引導加載程序，我們的新目标是：

1. 将我們的程序放入微控制器的閃存中。
2. 在地址 0x00002000 處放置一個指向堆棧的指針。
3. 将指向我們程序的指針放在地址 0x00002004 處。

我們可以通過雙擊重置按鈕來做到這一點，然後使用 SAM-BA 協議來操作内存。

該程序

我們沒有與之交互的内核。這意味着沒有進程、沒有線程、沒有文件系統、沒有網絡等等。我們根本不能使用 Rust 标準庫。而且我們不能使用通常的main入口點，因為我們隻需要将入口點放在正确的位置。如果考慮到這些因素，我們将我們的 hello world 程序存根，它看起來像這樣：

#![no_std] #![no_main] fn enable_led() { unimplemented !() } fn turn_led_on() { unimplemented !() } fn turn_led_off() { unimplemented !() } fn delay() { unimplemented !() } fn 運行（）->！{ enable_led(); 循環 { turn_led_on(); 延遲（）; turn_led_off(); 延遲（）; } }

為了編譯它，我們還必須定義一個恐慌處理程序：

#[panic_handler] fn panic_handler(_info: &core::panic::PanicInfo) -> ! { // 我們現在可以做的不多... loop {} }

第一個存根是enable_led. 我們使用的 Arduino 有一個内置在闆上的 LED，連接到引腳“PB08”。在我們可以控制它之前，我們需要将它配置為輸出。就像我們将與微控制器進行的所有其他交互一樣，這是通過寫入預定義内存位置的寄存器來完成的。具體來說，要控制微控制器的引腳，我們需要寫入“PORT”外設的寄存器。SAMD21 為 PORT 定義寄存器和地址，如下所示：

#[repr(C)] pub struct PortGroup { pub data_direction: u32, pub data_direction_clear: u32, pub data_direction_set: u32, pub data_direction_toggle: u32, pub data_output_value: u32, pub data_output_value_clear: u32, pub data_output_value_set: u32, pub data_output_uvalue_toggle: , pub data_input_value: u32, pub control: u32, pub write_configuration: u32, pub reserved_0: [u8; 4]、 pub peripheral_multiplexing: [u8; 16], pub pin_configuration: [u8; 32]， 酒吧保留_1：[u8；32], } #[repr(C)] pub struct Port { pub groups: [PortGroup; 2], 常量PORT_ADDRESS : u32 = 0x41004400;

引腳分為兩組（A 和 B），因此要将 PB08 配置為輸出，我們使用core::ptr::write_volatile寫入寄存器（我們使用Rust 核心庫代替标準庫。） ：

unsafe fn enable_led() { let port = &mut *(PORT_ADDRESS as *mut Port); write_volatile(&mut port.groups[1].pin_configuration[8], 0b00000010); write_volatile(&mut port.groups[1].data_direction_set, 1 << 8); }

通過寫入這些寄存器也可以啟用和禁用 LED：

unsafe fn turn_led_on() { let port = &mut *(PORT_ADDRESS as *mut Port); write_volatile( &mut port.groups[1].data_output_value_clear as *mut u32, 1 << 8, ) } unsafe fn turn_led_off() { let port = &mut *(PORT_ADDRESS as *mut Port); write_volatile( &mut port.groups[1].data_output_value_set as *mut u32, 1 << 8, ) }

最後，實施延遲……

不安全的 fn 延遲（） { for i in 0..100000 { read_volatile(&i); } }

這隻是一個繁忙的循環。但由于我們在微控制器上運行，因此這是一個非常可預測的繁忙循環。一旦編譯完成，它總是會花費完全相同的時間來執行。

内存布局

我們需要一個指向我們代碼的指針，使其位于一個非常特定的地址（0x00002004）。我們還需要将堆棧指針放在一個非常具體的地址（0x00002000）。這些地址實際上是稱為異常表的更大指針列表的一部分：

在代碼中，這看起來像這樣：

pub type Handler = unsafe extern "C" fn(); #[repr(C, packed)] pub struct ExceptionTable { pub initial_stack: *const u32, pub reset: unsafe extern "C" fn() -> !, pub nmi: Handler, pub hard_fault: unsafe extern "C" fn( ) -> !, pub reserved_0: [Option<Handler>; 7]、 pub sv_call: Handler, pub reserved_1: [Option<Handler>; 2], pub pend_sv: Handler, pub sys_tick: Option<Handler>, pub external: [Option<Handler>; 32]， }

我們不需要定義任何這些，除了複位處理程序和初始堆棧指針，它指向芯片 RAM 的末尾：

不安全的外部“C” fn reset_handler() -> ！{ run() } unsafe extern "C" fn nop_handler() {} unsafe extern "C" fn trap() -> ！{ loop {} } #[link_section = ".isr_vector"] pub static ISR_VECTORS: ExceptionTable = ExceptionTable { initial_stack: 0x20008000 as _, reset: reset_handler, nmi: nop_handler, hard_fault: trap, reserved_0: [None; 7]、 sv_call：nop_handler、 reserved_1：[無；2]， pend_sv：nop_handler， sys_tick：無， 外部：[無；32]， }；

現在我們隻需要告訴鍊接器将我們指定為“.isr_vector”的部分放在地址0x00002000 處。這是使用鍊接描述文件完成的：

MEMORY { FLASH_FPGA (r) : ORIGIN = 0x40000, LENGTH = 2M FLASH (rx) : ORIGIN = 0x2000, LENGTH = 0x00040000-0x2000 /* 引導加載程序使用的前 8KB */ RAM (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 0x0000800 }} ENTRY(reset_handler) 部分{ .text : { . =對齊（0x2000）； KEEP(*(.isr_vector)) *(.text*) } > FLASH /DISCARD/ : { *(.ARM.exidx .ARM.exidx.*); } }

可以将此文件提供給鍊接器，以告訴它如何布置所有内容。

跑步

您可以通過像這樣傳遞目标和鍊接器腳本來使用 Cargo 構建程序：

RUSTFLAGS="-Clink-arg=-Tlayout.ld" 貨物構建 --target thumbv6m-none-eabi

安裝ARM 嵌入式工具鍊後，您可以将其從 ELF 可執行文件轉換為二進制文件，您可以使用以下命令刷新微控制器：

arm-none-eabi-objcopy -O 二進制目标/thumbv6m-none-eabi/debug/hello-microcontroller program.bin

最後，如果您雙擊 Arduino 的重置按鈕，您可以使用BOSSA對其進行閃爍：

bossac -i -d --port /dev/cu.usbmodem* -o 0x2000 -e -o 0x2000 -w program.bin -R

你好，微控制器！

下一步

• 從我們的GitHub 存儲庫中查看代碼并自己運行它。
• 查看一些很棒的嵌入式 Rust 資源。
• 如果您對構建優雅的定制硬件感興趣，請下載 Arduino 的原理圖并構建自定義 PCB。
• 如果您喜歡從事此類工作，請加入 Tempus Ex并獲得報酬，以使用 Rust 構建很酷的東西。

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