ubuntu安装 rust nightly_Rust 嵌入式开发环境搭建指南 (一)：让世界闪烁吧

引

因为这是本专栏的第一篇文章，所以我打算先在这里介绍下专栏的写作目标。

Rust 是一种系统编程语言。它有着惊人的运行速度，能够防止段错误，并保证线程安全。

Rust 官方一直标榜着自己是系统编程语言，然而最根本的系统编程就是嵌入式系统开发。如果不能在嵌入式系统里大施拳脚，那么 Rust 就没有底气能与 C 语言叫板。经过了 3 年迭代，Rust 在嵌入式开发领域已经日渐成型，并且官方也成立了嵌入式工作组特别关注 Rust 嵌入式库与工具链的开发，同时也在不断完善The embedded rust book。这里推荐大家关注工作组的 newsletter，里面有很多工作组最新工作进展。

而本专栏将会更面向于嵌入式开发的入门教程和实践，也就是说，本专栏的文章并不假定读者拥有任何嵌入式开发的知识或经验，但是要求读者有一定 Rust 语言基础，比如说熟悉借用所有权系统，懂得使用 unsafe 手动操作内存结构等等。

专栏文章会分为几大类：

单片机架构的基础知识
Rust 嵌入式开发的技巧
各种可以跟着动手的实践项目

希望通过本专栏可以吸引 Rust 小伙伴加入嵌入式领域，<del>同时拐骗一波正在使用 C 语言开发嵌入式的水深火热的程序员。</del>

准备

为了能够自己动手实践嵌入式开发，我们需要先准备好一些材料：

STM32F103 最小系统开发板（约 10 元）
STLINK V2 仿真器（约 20 元）
母对母杜邦线
USB 转 TTL 串口模块（约 5 元）

STM32F103 是现在应用非常广泛，性能强大而且成本低廉的一款单片机，拥有着高达 72Mhz 的主频率，完全吊打 Arduino 等开发平台。

STM32F103 最小系统核心版

仿真器是连接 pc 与单片机的重要模块，主要用于程序烧写与调试。

STLINK V2

串口模块用于 pc 接收单片机的串口信息用以调试，由于现代计算机普遍已经取消了串口接口，所以使用 USB 串口就是最经济可靠的选择。

USB2TTL

Rust 工具链

文章下面将会使用 nightly-msvc channel 的 Rust 编译器工具链（因为作者使用 Windows 平台开发），读者也可以使用 gnu 或者 linux 平台，步骤上如果有所出入相信使用 linux 的老手是可以自己解决的。

> rustup default nightly-msvc
info: using existing install for 'nightly-x86_64-pc-windows-msvc'
info: default toolchain set to 'nightly-x86_64-pc-windows-msvc'nightly-x86_64-pc-windows-msvc unchanged - rustc 1.32.0-nightly (36a50c29f 2018-11-09)

2. 除了默认的标准库外，我们还需要提前编译好的 core 核心库。在我们这里添加几个常用的编译目标指令集，rustup 就会自动把核心库下载下来。

> rustup target add thumbv6m-none-eabi thumbv7m-none-eabi thumbv7em-none-eabi thumbv7em-none-eabihf
info: downloading component 'rust-std' for 'thumbv6m-none-eabi'
info: downloading component 'rust-std' for 'thumbv7m-none-eabi'
info: downloading component 'rust-std' for 'thumbv7em-none-eabi'
info: downloading component 'rust-std' for 'thumbv7em-none-eabihf'

3. 另外我们还需要一些传统而好用的二进制工具 (binary tool) 和调试器。在 ARM官网页面下载适合平台的最新版安装即可。这一步安装的工具包括 arm-none-eabi-nm, arm-none-eabi-gdb, arm-none-eabi-objcopy 还有 arm-none-eabi-size 等等。

4. 最后我们还差 openocd，它负责保持与与仿真器的通讯连接，我们需要使用它来进行烧写和调试指令操作。openocd 的安装途径有很多，建议向购买仿真器的商家索要，或者可以从这里下载（可能需要科学上网）。

注：上述 3，4 步的工具需要加入 Path 环境变量。

Blinky

Blinky 是嵌入式世界的 hello world —— 让一盏 LED 闪烁。这篇文章的最终目标就是把最小系统版上唯一一颗 LED 灯闪烁起来。

我们先创建一个新的项目。

> cargo new blinkyCreated binary (application) `blinky` package

打开 Cargo.toml 添加几个依赖项。

[dependencies]
cortex-m = "0.5.8"        # cortex-m 核心指令集
cortex-m-rt = "0.6.5"     # 最小运行时，负责启动内存初始化
panic-halt = "0.2.0"      # 定义发生 panic 时采取立即停机的行为

同一架构的单片机的内存容量往往有很大差异，不同厂家的内存排布也不一定相同，所以这里我们要用 memory.x 文件里定义开发板的内存结构。在项目目录中新建文件 memory.x 并写入：

MEMORY
{FLASH : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 128KRAM : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 20K
}

这里定义了我们这个 MCU 拥有 128k ROM 和 20k RAM，内存起点分别在 0x08000000 和 0x20000000。

memory.x 事实上是一段链接器脚本 (Linker Script)，链接器脚本用来在内存中规划如何排布代码和静态变量。很明显仅靠这小段脚本还不足以声明好运行所需的所有段 (SECTION)。幸运的是，cortex-m-rt 运行库已经为我们写好了通用的链接脚本，我们仅仅需要在编译时将名为 memory.x 的内存定义脚本放在编译目录，memory.x 就会被自动 include 到模板中。所以这里需要一段编译时自动拷贝 memory.x 的 build script。在项目目录中新建文件 build.rs 并写入：

use std::env;
use std::fs::File;
use std::io::Write;
use std::path::PathBuf;fn main() {// Put the linker script somewhere the linker can find itlet out = &PathBuf::from(env::var_os("OUT_DIR").unwrap());File::create(out.join("memory.x")).unwrap().write_all(include_bytes!("memory.x")).unwrap();println!("cargo:rustc-link-search={}", out.display());// Only re-run the build script when memory.x is changed,// instead of when any part of the source code changes.println!("cargo:rerun-if-changed=memory.x");
}

接着打开 src/main，写入：

#![no_std]
#![no_main]extern crate panic_halt;use cortex_m::asm;
use cortex_m_rt::entry;#[entry]
fn main() -> ! {asm::nop();loop { }
}

虽然这段代码看起来毫无作用，但是对于编译来说已经足够了。

可以注意一下这里的 main 函数并不是 Rust 语言内嵌的主函数，事实上，这个主函数仅仅是用户代码的入口，真正的主函数定义在 cortex_m_rt 库中，在启动后负责静态变量和中断向量表的内存初始化，接着才将执行权交回给这里的 main 函数。

执行编译。

> cargo build --target thumbv7m-none-eabiCompiling blinky v0.1.0Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.62s

至此 Blinky 已经成功编译好了，执行文件应该会出现在 /target/thumbv7m-none-eabi/debug/blinky 。接下来我们要把这个程序烧写到芯片的 ROM 上。首先使用杜邦线连接上仿真器与开发板，对应着接口上的名字，应该很容易将四条连接线接好，四个接口分别是 SWDIO, SWCLK, 3.3V 和 GND。

接着启动 openocd。

> openocd -f interface/stlink-v2.cfg -f target/stm32f1x.cfg
64-bits Open On-Chip Debugger 0.10.0-dev-00289-g5eb5e34 (2016-09-03-09:40)
Licensed under GNU GPL v2
For bug reports, readhttp://openocd.org/doc/doxygen/bugs.html...Polling target stm32f1x.cpu failed, trying to reexamine
Info : stm32f1x.cpu: hardware has 6 breakpoints, 4 watchpoints

这一步以出现 xxxxx.cpu: hardware has x breakpoints, x watchpoints 提示为连接成功。如果出现了其他错误，先检查是否已经安装仿真器的驱动，4条连接线有没有松动，或者更换一个 USB 口试试。

保留 openocd 终端，再打开一个新的终端启动 GDB (GNU Debugger) ，使用 GDB 进行执行程序烧写：

> arm-none-eabi-gdb
GNU gdb (GNU Tools for ARM Embedded Processors 6-2017-q1-update) 7.12.1.20170215-git...For help, type "help".
(gdb)

加载目标文件

(gdb) file ./target/thumbv7m-none-eabi/debug/blinky
Reading symbols from ./target/thumbv7m-none-eabi/debug/blinky...done.

连接上 openocd。(openocd 的默认端口为 3333)

(gdb) target remote :3333
Remote debugging using :3333
0x00000000 in ?? ()

重置 MCU，因为在运行状态无法进行烧写。

(gdb) monitor reset halt
stm32f1x.cpu: target state: halted
target halted due to debug-request, current mode: Thread
xPSR: 0x01000000 pc: 0x0800016c msp: 0x20000260

开始写入

(gdb) load
Start address 0x0, load size 0
Transfer rate: 0 bits in <1 sec.

写入后 MCU 默认会暂停在初始状态，这里要手动运行。

(gdb) continue
Continuing.

好了到目前为止，如果我们的开发板毫无反应，那就对了，我们现在要给它加上最重要的 Blinky 逻辑。

打开 Cargo.toml 再加上两个依赖

stm32f103xx-hal = { git = "https://github.com/japaric/stm32f103xx-hal.git" }    # MCU 外围部件操作的统一接口
nb = "0.1"    # stm32f103xx-hal 的异步阻塞模块，用来实现时钟等待同步

修改 src/main.rs

#![no_std]
#![no_main]extern crate panic_halt;
extern crate stm32f103xx_hal as hal;
#[macro_use]
extern crate nb;use cortex_m_rt::entry;use hal::prelude::*;
use hal::stm32f103xx;
use hal::timer::Timer;#[entry]
fn main() -> ! {let cp = cortex_m::Peripherals::take().unwrap();let dp = stm32f103xx::Peripherals::take().unwrap();let mut flash = dp.FLASH.constrain();let mut rcc = dp.RCC.constrain();// 设置时钟总线let clocks = rcc.cfgr.freeze(&mut flash.acr);// 设置通用引脚 (GPIO)let mut gpioc = dp.GPIOC.split(&mut rcc.apb2);// LED 对应的 PC13 引脚let mut led = gpioc.pc13.into_push_pull_output(&mut gpioc.crh);// 淘宝上有些版本的核心板的 LED 会接在 PB12 引脚上，这样的话用下面两行替换// let mut gpiob = dp.GPIOB.split(&mut rcc.apb2);// let mut led = gpiob.pb12.into_push_pull_output(&mut gpiob.crh);let mut timer = Timer::syst(cp.SYST, 1.hz(), clocks);loop {block!(timer.wait()).unwrap();// 点亮 LEDled.set_high();block!(timer.wait()).unwrap();// 关闭 LEDled.set_low();}
}

重新编译 Rust。

> cargo build --target thumbv7m-none-eabiCompiling blinky v0.1.0Finished dev [unoptimized + debuginfo] target(s) in 0.1s

回到 GDB 终端，此时如果还在运行上一段代码，那按下 Ctrl + C 就可以中断执行。

Continuing.
Program received signal SIGINT, Interrupt.
0x08000240 in ?? ()
(gdb)

直接执行 load 指令，GDB 会自动识别到可执行文件的变更并进行覆写。

(gdb) load
Start address 0x0, load size 0
Transfer rate: 0 bits in <1 sec.
(gdb) continue
Continuing.

至此，我们的蓝色 LED 就应该会开始以一秒间隔开始闪烁了！

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