大家好，今天我繼續(xù)給大家分享干貨。熟悉我的人，都知道我真正的干貨一般在中間和末尾部分。請耐心看完！謝謝。
我們使用 Rust 探索了嵌入式系統(tǒng)，重點關(guān)注硬件交互、高效內(nèi)存管理以及并發(fā)特性。關(guān)鍵要點包括 Rust 獨特的所有權(quán)模型、用于嵌入式編程的 no_std 環(huán)境，以及使用諸如 em)bedded-hal 這類庫來與硬件外設(shè)進行交互。這些基礎(chǔ)內(nèi)容對于我們今天深入探究使用 Rust 進行 RTOS 編程來說至關(guān)重要。
理解實時操作系統(tǒng)（RTOS）
實時操作系統(tǒng)（RTOS，Real-Time Operating System）是一種專門設(shè)計用于在嚴格時間限制內(nèi)處理任務(wù)的操作系統(tǒng)。它的核心目標是確保系統(tǒng)能夠在預(yù)定的時間內(nèi)完成特定任務(wù)，廣泛應(yīng)用于對實時性、可靠性和性能要求極高的領(lǐng)域，如航空航天、工業(yè)自動化、醫(yī)療設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)等。
RTOS 的關(guān)鍵特性
- · 任務(wù)調(diào)度：對任務(wù)進行優(yōu)先級排序以滿足截止期限要求。
- · 確定性行為：確保執(zhí)行時間可預(yù)測。
- · 資源管理：高效地管理內(nèi)存、CPU 和輸入/輸出（I/O）。
Rust 的安全特性和并發(fā)模型與這些 RTOS 的特性契合良好，能確保在對時間敏感的應(yīng)用中實現(xiàn)高可靠性。
開始使用 Rust 進行 RTOS 編程
為 RTOS 開發(fā)配置 Rust
要用 Rust 編寫 RTOS 程序，您需要為嵌入式開發(fā)配置您的項目。以下是逐步的設(shè)置步驟：
- · 安裝 nightly 版本的工具鏈和 rustup：
rustup install nightly
rustup default nightly
- 1. 添加所需目標：對于嵌入式系統(tǒng)中常用的 ARM Cortex-M 處理器：
rustup target add thumbv7em-none-eabihf
- ·
cortex-m-rt：用于在 Cortex-M 設(shè)備上提供運行時支持。 - ·
rtic：一個用于 Rust 的實時中斷驅(qū)動并發(fā)框架。
- 2. 配置
Cargo.toml：以下是 rtic 的示例配置：
[dependencies]
cortex-m-rt = '0.7'
cortex-m = '0.7'
cortex-m-rtic = '1.0'
Rust 中 RTOS 的基本概念
Rust 使我們能夠為 RTOS 編寫基于任務(wù)的、具有確定性的代碼。以下是使用 rtic 框架編寫 RTOS 任務(wù)的示例結(jié)構(gòu)：
#![no_main]
#![no_std]
use cortex_m_rt::entry;
use cortex_m::interrupt::free as critical_section;
#[rtic::app(device = stm32f4::stm32f407)]
mod app {
#[shared]
struct Shared {
counter: u32,
}
#[local]
struct Local {
led: Led,
}
#[init]
fn init(ctx: init::Context) -> (Shared, Local, init::Monotonics()) {
let led = Led::new(ctx.device.GPIOA);
(Shared { counter: 0 }, Local { led }, init::Monotonics())
}
#[task(binds = TIM2, shared = [counter], local = [led])]
fn toggle(ctx: toggle::Context) {
let counter = ctx.shared.counter;
let led = ctx.local.led;
critical_section(|_| {
*counter += 1;
});
led.toggle();
}
}
解釋
- · 共享和局部資源：任務(wù)間共享的變量以及特定任務(wù)所獨有的局部變量。
- · 任務(wù)：使用
#[task] 宏定義，由中斷觸發(fā)。 - · 臨界區(qū)：保護共享資源免受競態(tài)條件的影響。
實現(xiàn)一個簡單的 RTOS 項目
讓我們使用 Rust 和 RTOS 的概念來實現(xiàn)一個基本的 LED 閃爍應(yīng)用程序。
項目概述
該應(yīng)用程序基于定時器中斷來切換 LED 的狀態(tài)，以此演示任務(wù)調(diào)度和確定性執(zhí)行。
硬件要求
- · 基于 ARM Cortex-M 的微控制器（例如，STM32）。
- · 開發(fā)板（例如，STM32F4 Discovery）。
代碼實現(xiàn)
cargo new rtos_led_blink --bin
cd rtos_led_blink
- 1. 配置
Cargo.toml：添加 rtic 以及目標相關(guān)的依賴項：
[dependencies]
cortex-m-rt = '0.7'
cortex-m = '0.7'
cortex-m-rtic = '1.0'
stm32f4xx-hal = '0.9'
- 1. 編寫應(yīng)用程序代碼：以下是 LED 閃爍項目的完整代碼：
#![no_std]
#![no_main]
use cortex_m_rt::entry;
use panic_halt as _;
use stm32f4xx_hal::{pac, prelude::*, timer::Timer};
#[entry]
fn main() ->! {
let dp = pac::Peripherals::take().unwrap();
let cp = cortex_m::Peripherals::take().unwrap();
let rcc = dp.RCC.constrain();
let clocks = rcc.cfgr.freeze();
let gpioc = dp.GPIOC.split();
let mut led = gpioc.pc13.into_push_pull_output();
+ let mut timer = Timer::syst(cp.SYST, 1.hz(), clocks);
loop {
if timer.wait().is_ok() {
led.toggle();
}
}
}
運行步驟
- 1. 使用
cargo build --release 編譯代碼。 - 2. 使用諸如 OpenOCD 之類的工具將二進制文件燒錄到微控制器上。
使用 Rust 進行 RTOS 開發(fā)的優(yōu)勢
- · 內(nèi)存安全性：消除了空指針解引用和數(shù)據(jù)競爭問題。
- · 高性能：與 C/C++ 性能相當，且具備額外的安全保障。
- · 并發(fā)支持：便于進行多任務(wù)處理以及中斷驅(qū)動編程。
使用 Rust 進行 RTOS 開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)
- · 學(xué)習(xí)曲線：對于不熟悉 Rust 所有權(quán)模型的開發(fā)者來說，學(xué)習(xí)難度較大。
- · 生態(tài)系統(tǒng)成熟度：相較于基于 C 語言的 RTOS，支持有限。
- · 調(diào)試：在嵌入式環(huán)境中需要專門的工具。
結(jié)論
實時操作系統(tǒng)與 Rust 相結(jié)合，為嵌入式系統(tǒng)帶來了無與倫比的安全性和高性能。通過利用 Rust 的所有權(quán)和類型安全等特性，開發(fā)者能夠滿懷信心地構(gòu)建滿足嚴格實時要求的應(yīng)用程序。此處列出的示例項目和練習(xí)為您開啟 RTOS 之旅提供了一個堅實的起點。以上就是我的分享。這些分析皆源自我的個人經(jīng)驗，希望上面分享的這些東西對大家有幫助，感謝大家！
