🦀 新手必看！小小白也能用Rust点亮LED，入门嵌入式开发（下）

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在🦀 新手必看！小小白也能用Rust点亮LED，入门嵌入式开发（上）中，我们探讨了为什么对编程新手而言，Rust的吸引力不在于内存安全，以及为何用Rust点亮LED比写Hello World更有趣。我们还学习了如何通过Rust代码点亮第一个LED灯，开启了Rust嵌入式开发之旅。

本篇将为你介绍这个项目源代码的四个关键类型，帮助你理解这些源代码的结构，了解各类源文件的特点，以及探索作为嵌入式开发的main.rs入口文件有何特别之处。

1.3.4 解读代码

在详细解释代码之前，让我们先来看看这个项目的文件结构（以下用//标注的是我的解释性注释）：

. // 项目根目录
├── .cargo
│   └── config.toml // 定义cargo工具行为和项目构建环境，
                    // 配置交叉编译目标平台、烧录工具、编译器和链接器参数
├── .git // 存储版本控制信息的文件夹
（其他行略）
├── .gitignore // 指定不需要纳入版本控制的文件
├── Cargo.lock // 锁定所有依赖的具体版本，确保构建的可重现性，自动生成，无须手动更改
├── Cargo.toml // Rust项目的主配置文件，包含依赖包及其版本号
├── Embed.toml // 嵌入式项目特定的配置文件，包含目标微控制器芯片型号和调试设置
├── README.md // 项目说明文档
└── src
    └── main.rs // 项目的主要源代码入口文件

12 directories, 12 files

在这个项目文件结构中，我们将重点关注以下四类文件：

• 通用Rust项目包管理文件：Cargo.toml和Cargo.lock
• Cargo工具行为和项目构建环境配置文件：.cargo/config.toml
• 嵌入式开发特定配置文件：Embed.toml
• Rust源代码入口文件：src/main.rs

接下来我们将逐一解读这些文件（通过添加注释的方式）。

通用Rust项目包管理文件：Cargo.toml

如代码清单1-2所示：

代码清单1-2 ch01/lu1l/Cargo.toml

[package]
# 项目名称
name = "lu1l"
# 项目版本号
version = "0.1.0"
# Rust版本要求(2021版)
edition = "2021"

# 依赖包及其版本号
[dependencies]
# Cortex-M启动运行时支持
cortex-m-rt = "0.7.3"
# 提供panic处理机制,程序崩溃时停止运行
panic-halt = "0.2.0"
# 通过RTT提供panic信息输出
panic-rtt-target = "0.1.3"
# RTT(实时传输)调试工具
rtt-target = "0.5.0"
# BBC micro:bit v2开发板支持包
microbit-v2 = "0.15.0"
# 嵌入式硬件抽象层接口
embedded-hal = "1.0.0"

# 有关Cortex-M处理器核心的配置
[dependencies.cortex-m]
# Cortex-M处理器核心功能支持
version = "0.7.7"
# 启用内联汇编和单核心关键区段功能
features = ["inline-asm", "critical-section-single-core"]

Cargo.toml是Rust项目的核心配置文件，它记录了项目的基本信息，如项目名称、版本号和所需的依赖包。

它的设计巧妙而优雅。它使用易读的TOML格式，采用清晰的结构将项目信息和依赖项分开管理。更重要的是，它提供了极大的灵活性，让开发者可以为不同平台配置依赖，并自由选择所需功能。

Cargo.toml的便利性令人称赞。它不仅支持精确的版本控制和便捷的依赖管理，还能适配多种开发平台。由于在Rust生态中被广泛采用，新手能快速上手。它还支持多样化的依赖源，包括本地文件和Git仓库。

当然，它也存在一些小挑战。新手可能需要时间来熟悉版本号的表示方式。在大型项目中，处理依赖冲突可能较为复杂。此外，过多的依赖可能影响编译速度和程序大小。

但Cargo.toml的通用性令人印象深刻。它在普通应用开发和嵌入式开发中都表现出色，让开源库的使用者能按需选择功能，也为新手学习项目构建提供了良好的起点。

以本项目为例，配置文件指定了项目名称"lu1l"和Rust 2021版本，并引入了嵌入式开发所需的依赖包，如cortex-m-rt和embedded-hal。它还特别为BBC micro:bit v2开发板提供支持，并配置了多种崩溃处理机制。

Cargo.toml简化了项目管理流程，显著提升了开发效率，是个人开发和团队协作中的得力助手。

通用Rust项目包管理文件：Cargo.lock

如代码清单1-3所示：

代码清单1-3 ch01/lu1l/Cargo.lock

# This file is automatically @generated by Cargo.
# It is not intended for manual editing.
version = 3

[[package]]
name = "az"
version = "1.2.1"
source = "registry+https://github.com/rust-lang/crates.io-index"
checksum = "7b7e4c2464d97fe331d41de9d5db0def0a96f4d823b8b32a2efd503578988973"
（其他行略）

Cargo.lock 文件是 Rust 项目中的特殊存在，由 Cargo 工具自动生成和维护，用于记录项目所有依赖包的具体版本信息和元数据。你无需手动修改它，Cargo 会处理好一切。

这个文件有两个显著特征：它会精确记录项目中所有直接和间接依赖的具体版本号，确保构建环境的一致性；同时它是完全自动化的，Cargo 会根据 Cargo.toml 的内容自动更新它。为避免问题，文件开头还特别注明了不建议手动修改。

Cargo.lock 的好处显而易见。在团队开发中，它确保所有成员使用相同版本的依赖，避免"我这能运行，你那却不行"的尴尬。即使很久后重新构建项目，它也能保证生成的程序与之前完全一致。对团队协作而言，这种依赖版本的统一管理大大减少了冲突可能。

当然，它也有一些局限。当依赖项发布修复版本时，你需要手动运行 cargo update 来更新。在多人开发时，如果大家都更新了依赖，可能导致文件合并冲突。对新手而言，理解 Cargo.lock 和 Cargo.toml 的关系需要一些时间。

那么，什么时候该使用 Cargo.lock 呢？如果你在开发应用程序，尤其是需要团队协作或持续集成的项目，就应该将它纳入版本控制。但开发代码库时通常不建议提交 Cargo.lock，因为库的依赖版本应由最终应用决定。对需要长期维护的项目，Cargo.lock 能确保项目稳定性，即使外部依赖发生变化。

Cargo.lock 是 Rust 生态系统中不可或缺的工具。它通过确保依赖管理的一致性，为项目的可靠性和可重现性提供了有力保障，尤其在团队协作和长期维护场景中更显价值。

Cargo工具行为和项目构建环境配置文件：.cargo/config.toml

如代码清单1-4所示：

代码清单1-4 ch01/lu1l/.cargo/config.toml

[build]
# 设置目标平台为ARM Cortex-M4F处理器核心(thumb v7em架构,带硬件浮点运算)
target = "thumbv7em-none-eabihf"

[target.thumbv7em-none-eabihf]
# 使用probe-rs工具运行程序,指定微控制器芯片型号为nRF52833
runner = "probe-rs run --chip nRF52833_xxAA"

# 设置rustc编译器参数:
rustflags = [
   # 使用rust-lld作为链接器
   "-C", "linker=rust-lld",
   # 指定链接脚本为link.x
   "-C", "link-arg=-Tlink.x",
]

.cargo/config.toml 文件中部分配置我们之前已经详细讨论过。它是 Rust 项目的构建环境配置文件，用于控制 Cargo 工具的行为。通过这个文件，开发者可以在项目或全局层面自定义 Cargo，灵活地配置构建选项、运行器和编译器标志。

这个配置文件设计精巧，采用分层配置方式。你既可以在用户主目录下设置全局配置，也可以为特定项目设置独立配置。它支持为不同目标平台定制特殊行为，比如为thumbv7em-none-eabihf架构设置专属配置。它的灵活性使其能适配几乎所有构建环境。

这个配置文件的优势显著。它对各类目标平台的支持完善，在嵌入式开发和多架构构建方面表现出色。通过配置runner，它能实现程序构建和运行的自动化，这对嵌入式开发尤其重要。它采用集中化配置方式，简化了项目维护。最重要的是，它能实现项目间的完全隔离，极大地促进了团队协作。

不过它也有一些挑战。新手可能需要时间理解rustflags或runner等配置选项。当配置出现问题时，排查可能比较困难，特别是在跨平台或嵌入式开发中。此外，使用probe-rs等外部工具时需要额外安装和学习。

这个配置文件适用于多种场景。在嵌入式开发中，它可以为Cortex-M4处理器配置专门的编译选项。在多架构项目中，它能为不同目标平台设置独特配置。在团队开发中，它可以统一构建环境。它还支持特定工具链集成，如通过probe-rs进行硬件调试。

以本项目为例，配置文件将默认目标平台设为thumbv7em-none-eabihf（专为Cortex-M4F架构设计），并配置probe-rs作为运行器，用于向nRF52833芯片烧录程序。通过设置编译器标志，它使用rust-lld作为链接器，并用link.x脚本控制程序内存布局。

.cargo/config.toml是一个功能强大且灵活的配置文件，特别适合需要精确控制构建流程的场景。它能显著提升开发效率，但要充分发挥其潜力，开发者需要深入了解相关配置选项。

嵌入式开发特定配置文件：Embed.toml

如代码清单1-5所示：

代码清单1-5 ch01/lu1l/Embed.toml

[default.general]
# 指定目标芯片型号为nRF52833
chip = "nrf52833_xxAA"

[default.reset]
# 复位后保持芯片暂停状态
halt_afterwards = true

[default.rtt]
# 禁用RTT(实时传输)调试功能
enabled = false

[default.gdb]
# 启用GDB调试功能
enabled = true

Embed.toml是一个专为嵌入式开发设计的重要配置文件，用于管理芯片信息和调试设置。通过它，开发者可以方便地控制probe-rs等调试工具的行为。

该配置文件具有三个主要特点：专门针对嵌入式开发，包含完整的芯片和调试配置选项；采用简洁的TOML格式；配置灵活，可随时调整各模块设置。

Embed.toml的优势显著：它将所有设置集中管理，提高开发效率；支持配置复用，便于团队协作；可精确控制调试功能；结构清晰，易于理解和共享。

不过它也存在一些限制：依赖特定工具链，需要一定学习时间，复杂项目中可能需要配合其他配置文件使用。

这个配置文件最适合以下场景：涉及特定硬件平台调试和烧录的嵌入式项目、需要统一调试环境的团队协作，以及有特殊调试需求的项目。它尤其适用于nRF52833等特定芯片的开发。

以本项目为例，我们在配置文件中指定了nRF52833_xxAA作为目标芯片，设置了复位后暂停调试，关闭RTT调试功能，并启用GDB调试。这些配置让开发过程更可控、高效。

Embed.toml是嵌入式开发中的重要工具。它简化了调试配置流程，提升了开发效率。虽然有一定的学习门槛，但对经常进行嵌入式开发的团队来说，这是一个值得投入的工具。

Rust源代码入口文件：src/main.rs

如代码清单1-6所示：

代码清单1-6 ch01/lu1l/src/main.rs

// 禁用不安全代码
#![deny(unsafe_code)]
// 声明这是一个独立程序，不使用标准入口点
#![no_main]
// 不使用标准库，这是嵌入式系统常见做法
#![no_std]

// 导入必要的嵌入式开发库
// 指定程序起点
use cortex_m_rt::entry;
// 操作硬件接口
use embedded_hal::digital::OutputPin;
// 控制开发板
use microbit::board::Board;
// 导入 panic 运行时错误处理程序
use panic_halt as _;

// 程序入口点
#[entry]
fn main() -> ! {  // 返回 ! 表示这是一个不返回的函数
    // 获取 microbit 板的控制权
    let mut board = Board::take().unwrap();
    
    // 点亮LED点阵的第4行第4列的LED，
    // 即在设置第4列为低电平的同时，设置第4行为高电平
    board.display_pins.col4.set_low().unwrap();
    board.display_pins.row4.set_high().unwrap();
    
    // 无限循环保持程序运行
    loop {}
}

最后让我来带你一步步了解这段嵌入式程序代码。作为小小白，你可能觉得嵌入式开发很神秘，但它其实有着独特的魅力。

首先，代码中有一个重要的声明：#![deny(unsafe_code)]。这行代码告诉编译器："我们只写安全的代码"。虽然嵌入式开发常常需要直接操作硬件，但Rust提供了安全的封装，让我们无需直接处理那些危险的底层操作。

接着，你会发现这个程序与普通电脑程序不同。它使用了#![no_main]标记，因为嵌入式设备没有操作系统，因此无法使用标准的 main() 函数入口，程序需要直接与硬件交互。可以想象，这就像是程序直接成为了设备的"大脑"。嵌入式开发需要指定自己的程序入口点，后面会使用 cortex_m_rt::entry 宏指定 main 为程序的入口。

由于嵌入式设备资源有限，我们不能使用标准库中那些耗资源的功能。因此用#![no_std]告诉编译器：我们需要更精简的编程方式。这就像在小房子里生活，必须高效利用每一寸空间。

为了控制硬件，我们引入了几个关键的库。它们像是一座桥梁，让我们能用简单的方式控制复杂的硬件。我们用cortex_m_rt::entry指定程序起点，用embedded_hal操作硬件接口，用microbit::board::Board控制开发板，用panic_halt处理软件在运行时的错误。

程序的核心是一个永不结束的main函数。这很有趣，因为嵌入式程序需要持续运行。就像家里的智能设备，它们始终待命，随时响应操作。

在获取硬件控制权时，我们采用了特殊设计：Board::take()。这确保同一时间只有一个程序部分能控制硬件，就像给设备上了一把锁，防止意外发生。

最后，我们用几行简单的代码就点亮了LED灯。通过设置引脚的高低电平，我们能控制LED的亮灭。这就是嵌入式编程的魅力：用软件直接控制硬件，让静态的电路板变得生动起来。

这段嵌入式程序有四个关键特点：运行在资源受限的环境中，直接与硬件交互，精确控制每个引脚，并持续运行。虽然看起来复杂，但有了Rust这样的现代工具，初学者也能逐步掌握这项技术。

🧠基于上文对 Rust 项目包管理文件 Cargo.toml 和 Cargo.lock 的介绍，以及你在本章使用 cargo 的实践经验，Rust 的包管理系统中具体哪个优秀的用户体验让你印象深刻？

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