你好，微控制器！

在这篇文章中，我们将深入探讨编程微控制器的关键概念。然后，为了进一步揭开它们的神秘面纱，我们将编写一个小的 Rust 程序并在 ARM 微控制器上运行它。

微控器学习与开发套件（你好微控制器用大约）(1)

这就是峰值性能的样子。

系统可以实现的最理想化的物理形式之一是“盒子”。你给它一些输入，它给你一些输出。用户不需要知道胆量或实现细节——这是黑匣子的物理表现。

如果您想构建一个盒子，您可以先使用商品服务器硬件，将其与您的软件一起加载，然后在其上贴上徽标。但是如果你想做一个小盒子呢？或者对于商品硬件来说过于专业化的东西？

微控器学习与开发套件（你好微控制器用大约）(2)

Blackmagic Mini Converter的内部

Blackmagic Mini Converters（如这款 HDMI 转 SDI 转换器）是使用定制 PCB 专门构建的。在它的字面上，有一个Xilinx Zynq 7000片上系统 (SoC)。该芯片具有两个 ARM Cortex A9 处理器、一些内存、类似 FPGA 的可编程逻辑以及内置的一些其他外围设备。

像这样的盒子通常不运行我们所知道的操作系统。那里没有Linux发行版。开发人员无需将可执行文件复制到文件系统，而是将软件直接“闪存”到芯片的闪存中。而不是通过系统调用与内核接口，软件直接通过读取和写入芯片数据表中定义的称为“寄存器”的地址与芯片接口。

你好，微控制器！

我们将编写“Hello, world!” 嵌入式系统：闪烁的 LED。我们的目标：Arduino MKR Vidor 4000。我们不会使用 Arduino 库或开发工具，但 Arduino 硬件是一个很好的起点，因为它广泛可用并附带原理图。

微控器学习与开发套件（你好微控制器用大约）(3)

这个 Arduino 特别有趣，因为它包含一个 ARM Cortex-M0 微控制器和一个 Intel Cyclone FPGA。不过，对于这篇文章，我们只会使用微控制器。

微控制器是ATSAMD21G18A。它的数据表将是我们的主要 API 参考。Cortex-M0 通用用户指南在这里也很有用。根据数据表：

释放复位后，CPU 开始从复位地址 0x00000000 获取 PC 和 SP 值。

Cortex 用户指南更具体地说明：

复位时，处理器从地址 0x00000000 加载 MSP。

复位时，处理器向 PC 加载复位向量的值，即地址 0x00000004。

所以我们要做的就是……

  1. 将我们的程序放入微控制器的闪存中。
  2. 在地址 0x00000000 处放置一个指向堆栈的指针。
  3. 将指向我们程序的指针放在地址 0x00000004 处。
闪烁

代码是如何进入芯片的？根据数据表，它是使用双引脚串行线调试 (SWD) 编程完成的。要使用 SWD 接口对其进行编程，我们需要获取一个调试器并将其物理连接到芯片。Arduino MKR 板上有裸露的焊盘，如果您愿意焊接或装配设备以将电线固定在其上，可用于此目的：

微控器学习与开发套件（你好微控制器用大约）(4)

但这会很痛苦，而且 Arduinos 通常是通过 USB 编程的。这是由 Arduino 引导加载程序启用的。

引导加载程序通常是您希望在微控制器上安装的第一件事，因为它的主要工作是使设备编程更容易。Arduinos 带有一个预装的引导加载程序，如果用户双击重置按钮，它允许通过 USB 和 SAM-BA 协议读取或写入设备的内存。否则，它将跳转到地址 0x00002000 处的代码。

假设我们的微控制器预装了这个引导加载程序，我们的新目标是：

  1. 将我们的程序放入微控制器的闪存中。
  2. 在地址 0x00002000 处放置一个指向堆栈的指针。
  3. 将指向我们程序的指针放在地址 0x00002004 处。

我们可以通过双击重置按钮来做到这一点，然后使用 SAM-BA 协议来操作内存。

该程序

我们没有与之交互的内核。这意味着没有进程、没有线程、没有文件系统、没有网络等等。我们根本不能使用 Rust 标准库。而且我们不能使用通常的main入口点，因为我们只需要将入口点放在正确的位置。如果考虑到这些因素，我们将我们的 hello world 程序存根，它看起来像这样：

#![no_std] #![no_main] fn enable_led() { unimplemented !() } fn turn_led_on() { unimplemented !() } fn turn_led_off() { unimplemented !() } fn delay() { unimplemented !() } fn 运行（）->！{ enable_led(); 循环 { turn_led_on(); 延迟（）; turn_led_off(); 延迟（）; } }

为了编译它，我们还必须定义一个恐慌处理程序：

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

第一个存根是enable_led. 我们使用的 Arduino 有一个内置在板上的 LED，连接到引脚“PB08”。在我们可以控制它之前，我们需要将它配置为输出。就像我们将与微控制器进行的所有其他交互一样，这是通过写入预定义内存位置的寄存器来完成的。具体来说，要控制微控制器的引脚，我们需要写入“PORT”外设的寄存器。SAMD21 为 PORT 定义寄存器和地址，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;

引脚分为两组（A 和 B），因此要将 PB08 配置为输出，我们使用core::ptr::write_volatile写入寄存器（我们使用Rust 核心库代替标准库。） ：

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); }

通过写入这些寄存器也可以启用和禁用 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, ) }

最后，实施延迟……

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

这只是一个繁忙的循环。但由于我们在微控制器上运行，因此这是一个非常可预测的繁忙循环。一旦编译完成，它总是会花费完全相同的时间来执行。

内存布局

我们需要一个指向我们代码的指针，使其位于一个非常特定的地址（0x00002004）。我们还需要将堆栈指针放在一个非常具体的地址（0x00002000）。这些地址实际上是称为异常表的更大指针列表的一部分：

微控器学习与开发套件（你好微控制器用大约）(5)

在代码中，这看起来像这样：

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]， }

我们不需要定义任何这些，除了复位处理程序和初始堆栈指针，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：[无；2]， pend_sv：nop_handler， sys_tick：无， 外部：[无；32]， }；

现在我们只需要告诉链接器将我们指定为“.isr_vector”的部分放在地址0x00002000 处。这是使用链接描述文件完成的：

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

可以将此文件提供给链接器，以告诉它如何布置所有内容。

跑步

您可以通过像这样传递目标和链接器脚本来使用 Cargo 构建程序：

RUSTFLAGS="-Clink-arg=-Tlayout.ld" 货物构建 --target thumbv6m-none-eabi

安装ARM 嵌入式工具链后，您可以将其从 ELF 可执行文件转换为二进制文件，您可以使用以下命令刷新微控制器：

arm-none-eabi-objcopy -O 二进制目标/thumbv6m-none-eabi/debug/hello-microcontroller program.bin

最后，如果您双击 Arduino 的重置按钮，您可以使用BOSSA对其进行闪烁：

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

微控器学习与开发套件（你好微控制器用大约）(6)

你好，微控制器！

下一步
  • 从我们的GitHub 存储库中查看代码并自己运行它。
  • 查看一些很棒的嵌入式 Rust 资源。
  • 如果您对构建优雅的定制硬件感兴趣，请下载 Arduino 的原理图并构建自定义 PCB。
  • 如果您喜欢从事此类工作，请加入 Tempus Ex并获得报酬，以使用 Rust 构建很酷的东西。
,