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嵌入式 NuttX OS 上運行Rust

在舉行的第十九屆“開源中國開源世界”大會上,XIAOMI Lela 開源負責人杜超宣布將對外公開超過1000萬行的 Xiaomi Vela 源碼。Xiaomi Vela 是小米基于開源實時操作系統 NuttX 打造的物聯網嵌入式軟件平臺,Vela 在各種物聯網硬件平臺上提供統一的軟件服務,支持豐富的組件和易用的框架,打通碎片化的物聯網應用場景。

NuttX 運行 Rust應用

NuttX上豐富的基礎生態,與Rust的安全特性互相結合,是一個不錯的方案,既能避免C開發引發的潛在內存問題,又能結合Rust的安全和高效,快速完成安全的產品。目前有開源的NuttX的Rust hal(https://github.com/lupyuen/nuttx-embedded-hal),該crate綁定了GPIO、I2C、SPI等常用外設。因此能在Rust代碼中調用NuttX的驅動外設。下面展示一個簡單的Rust代碼。

#![no_std]  //  Use the Rust Core Library instead of the Rust Standard Library, which is not compatible with embedded systems

extern "C" {   
    //  導入C的標準puts函數     
    fn puts(s: *const u8) -> i32;  
}

#[no_mangle]   
extern "C" fn rust_main() {      
  //  Rust認為任何來自C的接口都是非安全的,因此需要使用 unsafe包裹         
  unsafe {   
    //  打印字符到 NuttX 終端   
    puts( 
      b"Hello World!\0"  //  Byte String terminated with null

        .as_ptr()        //  Convert to pointer 
    );
  }
}

nuttx-embedded-hal庫中基于NuttX的POSIX接口寫的Rust標準接口也非常方便。如SPI接口的部分實現如下。

/// NuttX SPI Struct
pub struct Spi {
  /// NuttX File Descriptor
  fd: i32,
}

/// NuttX Implementation of SPI Bus
impl Spi {
  /// Create an SPI Bus from a Device Path (e.g. "/dev/spitest0")
  pub fn new(path: &str) -> Result {
    //  Open the NuttX Device Path (e.g. "/dev/spitest0") for read-write
    let fd = open(path, O_RDWR);
    if fd < 0 { return Err(fd) }

    //  Return the SPI Bus
    Ok(Self { fd })
  }
}

/// NuttX Implementation of SPI Bus
impl Drop for Spi {
  /// Close the SPI Bus
  fn drop(&mut self) {
    unsafe { close(self.fd) };
  }
}

/// NuttX Implementation of SPI Write
impl spi::Write for Spi{
  /// Error Type
  type Error = i32;

  /// Write SPI data
  fn write(&mut self, words: &[u8]) -> Result<(), Self::Error> {
    //  Transmit data
    let bytes_written = unsafe { 
        write(self.fd, words.as_ptr(), words.len() as u32) 
    };
    assert_eq!(bytes_written, words.len() as i32);
    Ok(())
  }
}

/// NuttX Implementation of SPI Transfer
impl spi::Transfer for Spi {
  /// Error Type
  type Error = i32;

  /// Transfer SPI data
  fn transfer<'w>(&mut self, words: &'w mut [u8]) -> Result<&'w [u8], Self::Error> {
    //  Transmit data
    let bytes_written = unsafe { 
        write(self.fd, words.as_ptr(), words.len() as u32) 
    };
    assert_eq!(bytes_written, words.len() as i32);

    //  Read response
    let bytes_read = unsafe { 
        read(self.fd, words.as_mut_ptr(), words.len() as u32) 
    };
    assert_eq!(bytes_read, words.len() as i32);

    //  Return response
    Ok(words)
  }
}

使用也非常簡單, 與Rust生的驅動幾乎沒有差別。

//  Import SPI Trait
use embedded_hal::blocking::spi;

//  Open SPI Bus /dev/spitest0
let mut spi = nuttx_embedded_hal::Spi
    ::new("/dev/spitest0")
    .expect("open spi failed");

//  Open GPIO Output /dev/gpio1 for Chip Select
let mut cs = nuttx_embedded_hal::OutputPin
    ::new("/dev/gpio1")
    .expect("open gpio failed");

//  Set Chip Select to Low
cs.set_low()
    .expect("cs failed");

//  Transmit and receive SPI data 
let mut data: [ u8; 5 ] = [ 0x1d, 0x00, 0x08, 0x00, 0x00 ];

spi.transfer(&mut data) 
    .expect("spi failed"); 

//  Show the received SPI data 
for i in 0..data.len() { 
    println!("{:02x}", data[i as usize]); 
}

//  Set Chip Select to High 
cs.set_high() 
    .expect("cs failed"); 

對于喜歡Rus語言的嵌入式工程師們來說這是個非常棒的事情,再也不需要重新手搓寄存器來開發驅動,站在巨人的肩膀上開發更有意思的應用。

NuttX是一種輕量級的RTOS,嚴格遵守POSIX標準,廣泛應用與各種控制器。從普通的8位的AVR單片機到arm、mips、risc-v、x86等各種架構的芯片。常見的廠商如ST、NXP、GD、ESP等廠商都有適配的驅動。由于嚴格遵從POSIX標準,因此對于不同的芯片,開發方式都幾乎相同,同時一些Linux應用也非常容易遷移到NuttX。

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