3 微控制器 on 编程那些事儿

3.1 原始 MMIO

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/microcontrollers/mmio.html

3.1 原始 MMIO

多数微控制器通过内存映射 I/O（memory-mapped IO）访问外设。我们试着点亮 micro:bit 上的一颗 LED：

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// Copyright 2023 Google LLC
// SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
#![no_main]
#![no_std]

extern crate panic_halt as _;

mod interrupts;

use core::mem::size_of;
use cortex_m_rt::entry;

/// GPIO 端口 0 外设地址
const GPIO_P0: usize = 0x5000_0000;

// GPIO 外设偏移
const PIN_CNF: usize = 0x700;
const OUTSET: usize = 0x508;
const OUTCLR: usize = 0x50c;

// PIN_CNF 字段
const DIR_OUTPUT: u32 = 0x1;
const INPUT_DISCONNECT: u32 = 0x1 << 1;
const PULL_DISABLED: u32 = 0x0 << 2;
const DRIVE_S0S1: u32 = 0x0 << 8;
const SENSE_DISABLED: u32 = 0x0 << 16;

#[entry]
fn main() -> ! {
 // 将 GPIO 0 的引脚 21 与 28 配置为推挽输出。
 let pin_cnf_21 = (GPIO_P0 + PIN_CNF + 21 * size_of::<u32>()) as *mut u32;
 let pin_cnf_28 = (GPIO_P0 + PIN_CNF + 28 * size_of::<u32>()) as *mut u32;
 // SAFETY: 指针指向有效的外设控制寄存器，且不存在别名。
 unsafe {
 pin_cnf_21.write_volatile(
 DIR_OUTPUT
 | INPUT_DISCONNECT
 | PULL_DISABLED
 | DRIVE_S0S1
 | SENSE_DISABLED,
 );
 pin_cnf_28.write_volatile(
 DIR_OUTPUT
 | INPUT_DISCONNECT
 | PULL_DISABLED
 | DRIVE_S0S1
 | SENSE_DISABLED,
 );
 }

 // 引脚 28 置低、引脚 21 置高以点亮 LED。
 let gpio0_outset = (GPIO_P0 + OUTSET) as *mut u32;
 let gpio0_outclr = (GPIO_P0 + OUTCLR) as *mut u32;
 // SAFETY: 指针指向有效的外设控制寄存器，且不存在别名。
 unsafe {
 gpio0_outclr.write_volatile(1 << 28);
 gpio0_outset.write_volatile(1 << 21);
 }

 loop {}
}

GPIO 0 引脚 21 接到 LED 矩阵的第一列，引脚 28 接到第一行。

用以下命令运行示例：

3.2 PAC

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/microcontrollers/pacs.html

3.2 PAC

svd2rust 根据 CMSIS-SVD 文件，为内存映射外设生成大多安全的 Rust 封装。

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// Copyright 2023 Google LLC
// SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
#![no_main]
#![no_std]

extern crate panic_halt as _;

use cortex_m_rt::entry;
use nrf52833_pac::Peripherals;

#[entry]
fn main() -> ! {
 let p = Peripherals::take().unwrap();
 let gpio0 = p.P0;

 // 将 GPIO 0 的引脚 21 与 28 配置为推挽输出。
 gpio0.pin_cnf[21].write(|w| {
 w.dir().output();
 w.input().disconnect();
 w.pull().disabled();
 w.drive().s0s1();
 w.sense().disabled();
 w
 });
 gpio0.pin_cnf[28].write(|w| {
 w.dir().output();
 w.input().disconnect();
 w.pull().disabled();
 w.drive().s0s1();
 w.sense().disabled();
 w
 });

 // 引脚 28 置低、引脚 21 置高以点亮 LED。
 gpio0.outclr.write(|w| w.pin28().clear());
 gpio0.outset.write(|w| w.pin21().set());

 loop {}
}

SVD（System View Description）文件是芯片厂商通常提供的 XML，描述设备的内存映射。

按外设、寄存器、字段与取值组织，包含名称、描述、地址等。

SVD 文件常常有缺陷或不完整，因此有各种项目会修补错误、补全缺失细节，并发布生成的 crate。

cortex-m-rt 提供向量表等基础设施。

若已 cargo install cargo-binutils，可运行 cargo objdump --bin pac -- -d --no-show-raw-insn 查看生成的二进制。

用以下命令运行示例：

3.3 HAL Crate

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/microcontrollers/hals.html

3.3 HAL Crate

许多微控制器的 HAL crate 对外各种外设提供封装。它们通常实现 embedded-hal 中的 trait。

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// Copyright 2023 Google LLC
// SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
#![no_main]
#![no_std]

extern crate panic_halt as _;

use cortex_m_rt::entry;
use embedded_hal::digital::OutputPin;
use nrf52833_hal::gpio::{Level, p0};
use nrf52833_hal::pac::Peripherals;

#[entry]
fn main() -> ! {
 let p = Peripherals::take().unwrap();

 // 为 GPIO 端口 0 创建 HAL 封装。
 let gpio0 = p0::Parts::new(p.P0);

 // 将 GPIO 0 的引脚 21 与 28 配置为推挽输出。
 let mut col1 = gpio0.p0_28.into_push_pull_output(Level::High);
 let mut row1 = gpio0.p0_21.into_push_pull_output(Level::Low);

 // 引脚 28 置低、引脚 21 置高以点亮 LED。
 col1.set_low().unwrap();
 row1.set_high().unwrap();

 loop {}
}

set_low 与 set_high 是 embedded_hal 的 OutputPin trait 上的方法。

许多 Cortex-M 与 RISC-V 设备都有 HAL crate，包括各类 STM32、GD32、nRF、NXP、MSP430、AVR 与 PIC 微控制器。

用以下命令运行示例：

3.4 板级支持 Crate

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/microcontrollers/board-support.html

3.4 板级支持 Crate

板级支持（board support）crate 针对具体开发板再包一层，用起来更方便。

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// Copyright 2023 Google LLC
// SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
#![no_main]
#![no_std]

extern crate panic_halt as _;

use cortex_m_rt::entry;
use embedded_hal::digital::OutputPin;
use microbit::Board;

#[entry]
fn main() -> ! {
 let mut board = Board::take().unwrap();

 board.display_pins.col1.set_low().unwrap();
 board.display_pins.row1.set_high().unwrap();

 loop {}
}

本例中板级支持 crate 主要提供更有用的命名，以及一点初始化。

crate 也可能包含微控制器之外某些板载设备的驱动。

microbit-v2 包含 LED 矩阵的简单驱动。

用以下命令运行示例：

3.5 类型状态模式

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/microcontrollers/type-state.html

3.5 类型状态模式

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// Copyright 2023 Google LLC
// SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
#[entry]
fn main() -> ! {
 let p = Peripherals::take().unwrap();
 let gpio0 = p0::Parts::new(p.P0);

 let pin: P0_01<Disconnected> = gpio0.p0_01;

 // let gpio0_01_again = gpio0.p0_01; // 错误，已移动。
 let mut pin_input: P0_01<Input<Floating>> = pin.into_floating_input();
 if pin_input.is_high().unwrap() {
 // ...
 }
 let mut pin_output: P0_01<Output<OpenDrain>> = pin_input
 .into_open_drain_output(OpenDrainConfig::Disconnect0Standard1, Level::Low);
 pin_output.set_high().unwrap();
 // pin_input.is_high(); // 错误，已移动。

 let _pin2: P0_02<Output<OpenDrain>> = gpio0
 .p0_02
 .into_open_drain_output(OpenDrainConfig::Disconnect0Standard1, Level::Low);
 let _pin3: P0_03<Output<PushPull>> =
 gpio0.p0_03.into_push_pull_output(Level::Low);

 loop {}
}

引脚不实现 Copy 或 Clone，因此每个引脚只能有一个实例。一旦引脚从端口结构体中移出，别人就无法再取走它。

更改引脚配置会消费旧的引脚实例，因此之后不能再使用旧实例。

值的类型表明它所处的状态：例如本例中是 GPIO 引脚的配置状态。这把状态机编码进类型系统，确保你不会在未正确配置的情况下以某种方式使用引脚。非法状态转换会在编译期被捕获。

你可以在输入引脚上调用 is_high，在输出引脚上调用 set_high，反之不行。

许多 HAL crate 遵循这一模式。

3.6 `embedded-hal`

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/microcontrollers/embedded-hal.html

3.6 `embedded-hal`

embedded-hal crate 提供覆盖常见微控制器外设的一组 trait：

GPIO
PWM
延时定时器
I2C 与 SPI 总线及设备

字节流（如 UART）、CAN 总线与 RNG 的类似 trait 分别拆到 embedded-io、embedded-can 与 rand_core 中。

3.8 其他项目

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/microcontrollers/other-projects.html

3.8 其他项目

RTIC
- 「Real-Time Interrupt-driven Concurrency」（实时中断驱动并发）。
- 共享资源管理、消息传递、任务调度、定时器队列。
Embassy
- 带优先级的 async executor、定时器、网络、USB。
TockOS
- 以安全为重点的 RTOS，支持抢占调度与内存保护单元（MPU）。
Hubris
- Oxide Computer Company 的微内核 RTOS，具备内存保护、非特权驱动、IPC。
FreeRTOS 绑定。

有些平台提供了 std 实现，例如 esp-idf。

3 微控制器 on 编程那些事儿

3.1 原始 MMIO

3.1 原始 MMIO

3.2 PAC

3.2 PAC

3.3 HAL Crate

3.3 HAL Crate

3.4 板级支持 Crate

3.4 板级支持 Crate

3.5 类型状态模式

3.5 类型状态模式

3.6 `embedded-hal`

3.6 embedded-hal

3.8 其他项目

3.8 其他项目

3.6 `embedded-hal`