其實標題應該要寫成「在 2021 裡用 Rust 開發裸機程式是種怎樣的體驗」

故事是這樣子的，很久很久以前我曾經寫過一篇文 ， 胡亂攪了一陣，弄出一個只是會動的 Rust 嵌入式系統，時隔這麼久，Rust 的生態也完全不一樣了，最近因為剛好比較閒就花了點時間再看看， 結果找到別人連書都寫好了呢 w （看書中的 rustc 成書年代應該是 2018 年左右）。

這篇大概會是照著上面這本書的操作記錄，不知道會整理成多少篇，讓我們拭目以待。

大家可以先回頭看一下之前發過的文，從那時候到現在，改變最多如下：

  1. Rustup：舊文裡還要寫一堆 json 的目標設定檔，現在都不用，用 Rustup 直接安裝 target 幾秒內完成（如果是 rustup 未支援的話還是要自己寫啦）。
  2. 使用 cargo config，可以操控 cargo 編譯指定的 target，就不用像文中指令都要瘋狂寫一堆根本記不起來的參數
  3. rlibc deprecated：現在 compiler 會自動提供 memset, memcopy, memmove 等必要的函式，不用 rlibc 了
  4. 用 library 不要手刻介面：直接存取硬體位址在 rust 一律是 unsafe 的行為，library 會封裝這些行為讓你更方便存取週邊裝置， 現今的 library 更完善，由團隊來維護，不像過去是由個別開發者所貢獻。

設定

先從 rustup 開始，rustup target list 可以列出目前 rust 支援的所有 target，要安裝跟移除可用

rustup target install <target>
rustup target remove <target>

即完成目標的安裝/移除，超級簡單，這點甚至比寫 C 的時候還要裝特別編譯的 gcc 還要簡單，常用的 arm 例如 arm-none-eabi-gcc ， 在 archlinux 上可以直接用套件包 pacman 安裝，但特殊的就不行，像是 arm-linux-gnueabihf ， 要用 AUR 從頭編譯整套 gcc，沒設定好直接浪費幾個小時在編譯，用 rustup 管理 target 是我第一次覺得 Rust 在嵌入式系統有超越 C 的地方。

以下是我的設定：

$ rustup default stable
$ rustc -V
rustc 1.52.1 (9bc8c42bb 2021-05-09)
$ rustup target add thumbv7m-none-eabi

另外要安裝 qemu-system-arm 跟 arm-none-eabi-gdb ，應該都可以用套件管理來安裝。

就這樣！南北設定一起串聯設定就這麼簡單。

最小的程式

平常我們在 OS 上面寫 rust 程式，一定用了很多 rust std 提供的功能，std 則假定由作業系統提供了許多的服務：執行緒、行程、檔案系統等等； std 之外則是 rust core，core 提供環境以外，和語言相關的基本操作，像型別如 float, string, slice， 原子操作等等。
我們最小的程式（bare-metal 一般好像翻裸機）只會用個 core 的功能，std 用 #![no_std] 把 std 拿掉， 只要寫的是裸機如作業系統核心、韌體、bootloader 都不會有 std 功能可以使用。

$ cargo new rt

開一個空白 project 之後，編譯預設的 main.rs 檔案：

// src/main.rs
#![no_std]
#![no_main]

use core::panic::PanicInfo;

#[panic_handler]
fn panic(_panic: &PanicInfo<'_>) -> ! {
    loop {}
}

#![no_std] 上面有解釋過了。
#![no_main] 表示這支 rust 程式不會有一般的 main，一般 main 就會假定有 command line argument ，裸機程式上也沒有這種東西。
#[panic_handler] 則是設定程式 panic 的時候會呼叫的函式，在呼叫 core::panic! 的時候會呼叫這個函式。

eh_personality

在有些 target 上，panic 的時候不會無條件的 abort，這時候可以

  1. 告訴 cargo 我就是要這樣無條件 abort。
  2. 新增一個 eh_personality 函式。

eh_personality 的介紹，可以參考官方文件的介紹章節 ，以下節錄：

The first of these functions, rust_eh_personality, is used by the failure mechanisms of the compiler. This is often mapped to GCC’s personality function (see the libstd implementation for more information), but crates which do not trigger a panic can be assured that this function is never called.

套用第一種解法，我們在 Cargo.toml 裡面加上這幾行

[profile.dev]
panic = "abort"

[profile.release]
panic = "abort"

第二種解法，要自己提供 eh_personality 的實作，但這個必須使用 nightly 的編譯器，才能使用 language items：

#![feature(lang_items)]

#[lang = "eh_personality"]
extern "C" fn eh_personality() {}

編譯

使用 cargo build，並搭配 –target 指定編譯為 thumbv7m-none-eabi：

cargo build --target thumbv7m-none-eabi

為了不要每次編譯都要下這麼長一串，我們可以編輯檔案 .cargo/config：

[build]
target = "thumbv7m-none-eabi"

之後就可以直接下 cargo build 了。

結果

我們的編譯結果為 target/thumbv7m-none-eabi/debug/rt。
可以用 size 檢查執行檔各區段的大小，會發現裡面什麼都沒有，用 gdb 進去看的話，就連單步執行都會出現 Cannot find bounds of current function 的錯誤：

$ arm-none-eabi-size target/thumbv7m-none-eabi/debug/rt

   text       data        bss        dec        hex    filename
      0          0          0          0          0    target/thumbv7m-none-eabi/debug/rt

不過從編譯出來的 object 檔，又可以看到的確有 panic 相關的符號在裡面：

$ rustc --target thumbv7m-none-eabi --emit=obj src/main.rs
$ arm-none-eabi-nm main.o
00000000 T rust_begin_unwind

不過，這是個起頭，後面就要對這個 main.rs 新增東西，讓程式更完善了。