首頁 > 新聞資訊 Rust編程語言因其獨特的安全性、性能和生產力組合而受到關注。Rust旨在消除常見的編程負擔并處理編譯時use-after-free錯誤等問題。值得注意的是，它在不使用垃圾回收器的情況下實現了這一點，生成的機器代碼的性能可與C和C++相媲美。
在這個由三部分組成的博客系列中，Ferrous Systems 的高級工程師兼培訓師Jonathan Pallant概述了Arm架構的Rust支持，包括對 Ferrocene的介紹，Ferrocene 是用于任務關鍵型和安全關鍵型應用的合格Rust工具鏈。對于任何考慮將Rust用于下一個基于Arm的項目的人來說，這個概述都是必不可少的。
本系列探討了從廣泛的Arm領域中挑選的三個示例，研究了在裸機、RTOS和Rich OS應用程序上使用Rust的細節。此外，它還討論了Ruston Arm的現狀，重點介紹了Rust項目和第三方提供的功能和庫，無論是否有商業支持。
圖1：編寫Rust應用程序的方法
第1部分：裸機系統
我們將探討的第一個領域是運行純Rust編寫的裸機應用的微控制器案例。在第二部分中，我們將在其基礎上加入一個已有的用C或C++編寫的實時操作系統（RTOS）。
這里使用的術語“微控制器”指的是帶有集成SRAM（可能還有Flash）的小型片上系統（SoC）。在Arm架構上，這些設備在AArch32模式下執行T32指令集，但有些系統可能會使用A32指令集。這里討論的許多“裸機”問題同樣適用于較大應用處理器上的低級代碼，比如安全啟動固件或虛擬機監視器。然而，本節將著眼于運行在nRF52-DK開發套件上的NordicnRF52840微控制器。這款流行的微控制器包含一個ArmCortex-M4處理器，以及256KiB的SRAM和1MiB的Flash。
針對ArmCortex-M的裸機Rust固件可以依賴由Rust嵌入式設備工作組提供的啟動代碼，這些代碼封裝在一個名為cortex-m-rt的crate中。這個crate允許固件完全用Rust編寫——所需的少量內聯匯編（例如，在main之前初始化數據段）被捆綁在cortex-m-rt內部，它只需帶你走到Rust的fn main()函數處即可。
當系統啟動并運行Rust代碼時，有一個豐富的驅動程序生態系統可供選擇。例如，nrf-hal項目為我們的nRF52840中的每個外設提供了驅動程序。實際上，許多基于Arm的微控制器都有一套出色的開源驅動程序，包括來自NordicSemi、STMicro和RaspberryPi的許多驅動。
像embedded-hal這樣的跨平臺抽象讓這些驅動程序可以用標準化的方式描述外設，使用戶能夠構建可重用的組件和庫，這些組件和庫可以在任何合適的實現上工作，即使跨越不同的芯片制造商。在2021年最近的芯片短缺期間，許多使用Rust的嵌入式系統開發者發現這一點非常有用，因為根據可用性更換微控制器變得容易得多。
如果您以前沒有見過裸機Rust代碼，圖2提供了一個針對nRF52840的完整“blinky”示例。
圖2：用于nRF52-DK的最小但完整的Rust“blinky”，使用提供UART驅動程序，GPIO等的開源板支持包。
如示例所示，Rust允許開發豐富的API來描述各種硬件接口，如LED和UART。然而，Rust編譯器內置的強大優化器產生的機器代碼與C編譯器產生的機器代碼大致相似。
圖1中顯示的Led類型（支持nrf52.leds.led_2值）在運行時不占用內存。它是所謂的零大小類型。這意味著系統類型可用于將安全性和穩健性引入API，而絕對沒有運行時開銷。
當然，對于許多應用程序來說，這已經足夠了，但開發人員不僅限于使用Rust在微控制器上編寫基本的事件循環和中斷例程。
基于ArmCortex-M的微控制器可以運行AsyncRust，使用純Rust編寫的小型輕量級異步執行器，例如embassy。這通常是啟動完整RTOS的一種高效且經濟的替代方案，尤其是當您只需要同時執行少量任務時。
但有時，完整的RTOS才是正確的解決方案。在第2部分中，我們將探討如何將Rust與現有的C API集成，包括使用Free RTOS和Eclipse ThreadX等RTOS的實際示例。
圖3:nRF52840 DK（來源：Nordic Semiconductor）
第二部分：Arm上高級Rust與RTOS的集成
在本博客系列的第1部分中，我們探討了如何使用Rust在Arm微控制器上構建裸機應用程序。在第2部分中，我們將重點介紹如何將Rust與微控制器和中型微處理器上的實時操作系統(RTOS)進行集成。
大多數現有的RTOS都是用C編寫的，因此在其上運行的任何Rust程序都需要與現有的CAPI交互。RTOS的示例包括但不限于Eclipse ThreadX、Free RTOS或Zephyr。
在Arm上，這些系統通常在AArch32模式下在Cortex-R52等處理器上執行A32指令；盡管這里的概念同樣適用于Cortex-M4、Cortex-M55或類似產品。
圖1：編寫Rust應用程序的方法
Rust支持導入和導出兼容C的函數、原始指針、易失性內存訪問以及內聯匯編，以實現低級別的硬件交互。一個完整的演示超出了博客文章的范圍，因此FerrousSystems發布了一個開源示例應用，該應用使用Eclipse ThreadXRTOS，并針對Arm Cortex-R5在Arm Versatile ApplicationBoard上（以及Arm PL011UART、Arm PL190向量中斷控制器和Arm SP804雙定時器）。
這個例子將ThreadX編譯為靜態C庫，然后將其鏈接到由Rust和Arm匯編混合編寫的二進制文件中。此示例可以使用Ferrocene或標準Rust工具鏈進行編譯。
就像第一部分提到的裸機微控制器一樣，在這些實時系統上，通常無法使用完整的Rust標準庫。相反，用戶被限制在一個更為基本的子集libcore中。
雖然不是不可能做到——對于FreeRTOS和NuttX等存在Rust標準庫移植版，但這些系統通常非常關注資源分配和性能，因此創建高性能綁定到所需的RTOS部分比嘗試將RTOS抽象到更適合應用處理器API的做法更有意義。這種方法對功能安全系統也有利，因為在Rust中認證一個小的自定義RTOS接口比認證整個Rust標準庫更實際。
在ThreadX的例子中，匯編語言啟動代碼設置堆棧指針并啟用浮點單元（FPU）后，執行權被交給用Rust編寫的main函數。Rust代碼初始化外設驅動程序，然后將執行權交給ThreadX調度器。ThreadX設置的一部分涉及通過一個名為tx_application_define的函數回調到Rust固件中，該函數是用Rust編寫的，但聲明為具有“C兼容”的接口。此函數用于為任務堆棧創建字節池和生成各種任務。圖2展示了如何輕松地用Rust調用CAPI的一個片段。
圖2：使用Rust創建ThreadX字節池的示例。threadx_sys crate包含基于RTOS的C頭文件自動生成的綁定。
threadx_syscrate包含基于RTOSC頭文件自動生成的綁定。代替手動轉換ThreadX頭文件為Rust，示例使用bindgen工具自動為ThreadX生成Rust綁定。
這個最初由Mozilla開發并由Ferrous Systems支持的工具幾乎可以應用于任何帶有標準C頭文件的庫，例如ThreadX提供的庫。示例使用來自bindgen的自動生成綁定，允許Rust代碼調用任何ThreadX函數，而RTOS可以回調到任何標記為extern"C"鏈接的Rust函數。
ThreadX源代碼必須使用標準C編譯器編譯，這在示例中是自動處理的。然后告訴Rust將生成的libthreadx.a鏈接到編譯后的Rust代碼，以生成最終的二進制文件。
在我們的示例中，啟動代碼是用Rust編寫的，但你可能更傾向于讓RTOS從C處理啟動和驅動初始化，只將任務用Rust編寫。或者，你可以使用完全用Rust編寫的RTOS，如OxidOS。一般步驟保持不變：將你需要的庫代碼編譯成靜態庫，然后使用這些靜態庫編譯和鏈接二進制文件。無論是RTOS作為庫還是作為二進制文件，變化不大，只是編譯順序有所不同。
請參閱第3部分，我們將探討如何在Arm處理器上使用Rust和Linux、Windows和macOS等成熟的操作系統。
圖3：實時操作系統通常用于工業和汽車應用程序。
第三部分，我們將探索在Arm處理器上使用Rust與完整操作系統如Linux、Windows和macOS的應用。
在本博客系列的第一部分中，我們探討了使用Rust在Arm微控制器上構建裸機應用程序。第二部分深入研究了將Rust與實時操作系統（RTOS）集成在微控制器和中型微處理器上的應用。現在，在第三部分中，我們將注意力轉向使用Rust與完整操作系統如Linux、Windows、macOS、QNX或Android在Arm處理器上的應用。
在Arm架構上，這些系統通常執行A64指令，在AArch64模式下運行，例如在RaspberryPi5中找到的Cortex-A76，或者最新AWSGraviton云服務器中的NeoverseV2。Rust還為32位Arm系統提供了良好的支持，例如Cortex-A8和Arm11，甚至可以追溯到1990年代的Arm7。圖1展示了編寫Rust應用程序的方法。
圖1：編寫Rust應用程序的方法
在應用處理器上，你通常可以訪問完整的Rust標準庫。這個庫抽象了許多特定于操作系統的接口，提供了一致的API用于線程、文件系統、網絡等，無論操作系統是什么。這意味著開發者可以使用他們喜歡的開發平臺，并且可以確信相同的源代碼可以在比如基于Linux的生產系統上編譯。
為了展示Rust的高層次表達能力，圖2顯示了一個示例Rust應用程序。
圖2：在Rust中處理文本文件
圖1中的代碼讀取一個UTF-8編碼的文本文件到堆分配的String中，如果文件無法打開則干凈地退出。隨后逐行處理它變得非常簡單，這要歸功于內置的迭代器支持——這個例子查找以"MESSAGE:"開頭的行并打印匹配行的其余部分。這種高層API的感覺像Java或C#，但具有C應用程序的性能——這是Rust的獨特優勢。
開箱即用的交叉編譯
Rust工具鏈不僅僅包括編譯器；它還包括一個結合了構建系統和包管理器的工具叫做cargo。這個工具大大簡化了構建Rust應用程序的過程——通常只需要一條簡單的cargobuild--release命令就可以構建最復雜的項目。作為構建的一部分，cargo可以從第三方包倉庫（如crates.io）下載依賴項，解析語義版本，并為你的項目構建一個完整的依賴樹——包括重要的開源許可信息。
Rust編譯器本身也是一個開箱即用的交叉編譯器。這意味著不像某些C編譯器，你不需要安裝特定版本的編譯器來適應任何給定的主機或目標組合。相反，你可以使用rustup（Rust工具鏈管理器），下載并安裝適合你所選目標的預編譯Rust標準庫，然后就可以開始工作了。圖3展示了如何使用rustup添加對新目標的支持，例如針對Armv7架構的32位ArmLinux的交叉編譯。
圖3：使用rust up添加對新目標的支持
Rust項目將其支持的目標分為幾個級別。一級是最高級別，這里的任何目標都會在每次Rust發布時進行編譯和測試。這一級包括64位ArmLinux，以及x86Linux、Windows和macOS。
二級目標會進行編譯，但不會運行測試套件。這一級包括上面提到的Armv7Linux示例。三級目標僅提供盡力而為的支持，這里是更奇特的目標所在——例如NintendoSwitch上的Rust，或者LinuxonArm7上的Rust。目前，三級目標僅支持使用‘nightly’Rust工具鏈，而不支持穩定版本。值得注意的是，Rust就像C和C++一樣，需要一個適合你目標平臺的鏈接器。對于許多目標，捆綁的LLVM鏈接器‘lld’可以工作，但在某些情況下，你可能需要安裝特定的鏈接器。
對于那些需要超出標準Rust層級系統提供的支持的人來說，Ferrocene提供了解決方案。Ferrocene是商業支持的Rust工具鏈下游產品，由Ferrous Systems制作。Arm和Ferrous Systems緊密合作，使得特定硬件目標能夠在Ferrocene中可用，這些目標在上游Rust項目中可能只作為二級或三級目標。Ferrocene目標通過了Rust測試套件，并且其中一部分已經通過TüVSüd認證，適用于ISO26262ASIL-D和IEC61508SIL-4，還有更多的行業特定認證正在計劃中。
掌握整個Arm譜系上的Rust
本博客系列探討了從廣泛的Arm設備譜系中選取的三個例子，并深入研究了在這個平臺上使用Rust的具體情況。我們看到，無論是要在現有的完全成熟的操作系統上構建，還是與實時操作系統協作，或者是裸機開發，Rust都能幫助開發者構建高性能、安全和可靠的軟件。它提供的特性使開發者能夠比使用傳統語言更快地進入生產階段。
類型檢查允許構造難以誤用的API，這意味著你更有可能正確使用它們——節省寶貴的調試時間。借用檢查意味著緩沖區溢出和釋放后使用錯誤在“安全”Rust中實際上是不可能的，而你只需要在我們的項目可能用來與硬件或操作系統交互的那一小部分“不安全”Rust代碼中檢查這些問題。來自使用LLVM優化的結果是，無論是在應用處理器、實時系統還是微控制器上，Rust生成的二進制文件在性能上都與C和C++相當。
如果你正在尋找帶有商業支持和可選功能安全認證的Rust編譯器，請查看FerrousSystems提供的Ferrocene。Ferrocene當前提供經過ISO26262ASIL-D和IEC61508SIL-4認證的AArch64裸機目標編譯器，同時面向32位ArmCortex-R和Cortex-M目標的資格認證也正在進行中。
圖4：樹莓派5 https://www.raspberrypi.com/documentation/computers/raspberry-pi.html
本文翻譯自“community.arm.com”
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