1.5 更好的 UART 驱动程序 on 编程那些事儿

1.5.1 位标志

Tue, 11 Aug 2026 11:30:00 +0800

译文 · 基于 Comprehensive Rust

原文链接: https://google.github.io/comprehensive-rust/bare-metal/aps/better-uart/bitflags.html

1.5.1 位标志

bitflags crate 很适合处理位标志。

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29


// Copyright 2023 Google LLC
// SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
use bitflags::bitflags;

bitflags! {
 /// 来自 UART 标志寄存器的标志。
 #[repr(transparent)]
 #[derive(Copy, Clone, Debug, Eq, PartialEq)]
 struct Flags: u16 {
 /// 清除发送。
 const CTS = 1 << 0;
 /// 数据集准备就绪。
 const DSR = 1 << 1;
 /// 数据载体检测。
 const DCD = 1 << 2;
 ///UART 忙于传输数据。
 const BUSY = 1 << 3;
 /// 接收 FIFO 为空。
 const RXFE = 1 << 4;
 /// 发送 FIFO 已满。
 const TXFF = 1 << 5;
 /// 接收 FIFO 已满。
 const RXFF = 1 << 6;
 /// 发送 FIFO 为空。
 const TXFE = 1 << 7;
 /// 响铃指示器。
 const RI = 1 << 8;
 }
}

这bitflags!宏创建一个新类型，类似于struct Flags(u16), 以及一堆用于获取和设置标志的方法实现。

1.5.2 多个寄存器

Tue, 11 Aug 2026 11:30:00 +0800

译文 · 基于 Comprehensive Rust

原文链接: https://google.github.io/comprehensive-rust/bare-metal/aps/better-uart/registers.html

1.5.2 多个寄存器

我们可以使用一个结构体来表示 UART 寄存器的内存布局。

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33


// Copyright 2023 Google LLC
// SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
#[repr(C, align(4))]
pub struct Registers {
 dr: u16,
 _reserved0: [u8; 2],
 rsr: ReceiveStatus,
 _reserved1: [u8; 19],
 fr: Flags,
 _reserved2: [u8; 6],
 ilpr: u8,
 _reserved3: [u8; 3],
 ibrd: u16,
 _reserved4: [u8; 2],
 fbrd: u8,
 _reserved5: [u8; 3],
 lcr_h: u8,
 _reserved6: [u8; 3],
 cr: u16,
 _reserved7: [u8; 3],
 ifls: u8,
 _reserved8: [u8; 3],
 imsc: u16,
 _reserved9: [u8; 2],
 ris: u16,
 _reserved10: [u8; 2],
 mis: u16,
 _reserved11: [u8; 2],
 icr: u16,
 _reserved12: [u8; 2],
 dmacr: u8,
 _reserved13: [u8; 3],
}

#[repr(C)] 告诉编译器按照相同的顺序排列结构体字段规则与 C 相同。这对于我们的结构具有可预测的布局是必要的，如默认的 Rust 表示允许编译器（除其他外）以它认为合适的方式重新排序字段。

1.5.3 司机

Tue, 11 Aug 2026 11:30:00 +0800

译文 · 基于 Comprehensive Rust

原文链接: https://google.github.io/comprehensive-rust/bare-metal/aps/better-uart/driver.html

1.5.3 司机

现在让我们使用新的Registers我们的驱动程序中的结构体。

 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57


// Copyright 2023 Google LLC
// SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
/// PL011 UART 的驱动程序。
#[derive(Debug)]
pub struct Uart {
 registers: *mut Registers,
}

impl Uart {
 /// 为 PL011 设备构建 UART 驱动程序的新实例
 /// 给定的一组寄存器。
 ///
 /// ＃ 安全
 ///
 /// 给定的指针必须指向PL011的8个MMIO控制寄存器
 ///device，必须映射到进程的地址空间
 ///设备内存并且没有任何其他别名。
 pub unsafe fn new(registers: *mut Registers) -> Self {
 Self { registers }
 }

 /// 将单个字节写入 UART。
 pub fn write_byte(&mut self, byte: u8) {
 // 等待，直到 TX 缓冲区中有空间。
 while self.read_flag_register().contains(Flags::TXFF) {}

 // 安全：我们知道 self.registers 指向控制寄存器
 // 已正确映射的 PL011 设备的。
 unsafe {
 // 写入 TX 缓冲区。
 (&raw mut (*self.registers).dr).write_volatile(byte.into());
 }

 // 等待 UART 不再繁忙。
 while self.read_flag_register().contains(Flags::BUSY) {}
 }

 /// 读取并返回一个待处理字节，或者`None`如果什么都没有
 /// 已收到。
 pub fn read_byte(&mut self) -> Option<u8> {
 if self.read_flag_register().contains(Flags::RXFE) {
 None
 } else {
 // 安全：我们知道 self.registers 指向控件
 // 正确映射的 PL011 设备的寄存器。
 let data = unsafe { (&raw const (*self.registers).dr).read_volatile() };
 // TODO：检查位 8-11 中的错误情况。
 Some(data as u8)
 }
 }

 fn read_flag_register(&self) -> Flags {
 // 安全：我们知道 self.registers 指向控制寄存器
 // 已正确映射的 PL011 设备的。
 unsafe { (&raw const (*self.registers).fr).read_volatile() }
 }
}

注意使用&raw const / &raw mut获取指向各个字段的指针而不创建中间引用，这是不合理的。

该示例未包含在幻灯片中，因为它与 safe-mmio接下来的例子。您可以在 QEMU 中运行它make qemu在下面src/bare-metal/aps/examples如果你需要的话。