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組み込みRust

2024/03/18に公開

Rust

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組み込みRustの環境
通常のRustでは、開発対象はOS上で動作するアプリケーションプログラムであるため
OSが提供する機能を使用するstd::* クレートが提供されています。
一方、組み込みRustが実行される環境ではOSが存在しないため、上記の機能は使えません。
そのため、組み込みRustの実行環境ではno_std環境を使います。
```
#![no_std]
```
ただし no_std環境では（当然ですが） std::* クレートは使えません。
その代わりにcore::* クレートが使えるので、主にこのクレートを使うことになります。
```
use core::*;
```
組み込みRustでの動的メモリの利用
通常のRustでは、StringやVectorなど可変サイズのオブジェクトを扱うため動的メモリ
（ヒープメモリ）を利用しています。
一方組み込みシステムでは、定められた時間内に必ず処理を完了する必要があります。
メモリーの確保・開放の都度リンクを辿る必要のある動的メモリの利用は、処理時間の保証
と相性が良くないため、どうしても必要な場合を除き利用しない方が良いでしょう。
対象ハードウェアアーキテクチャの理解
組み込みRustが動作するマイコンには様々なメーカーのものがあり、それぞれのマイコン毎に
・ROMやRAMの各メモリエリアの開始・終了アドレス
・処理開始時のアドレス
が異なるため、それらに応じて実行モジュールの作成方法が変わります。
例えばRaspberry Pi Picoの場合

メモリアドレス範囲

ROM 0x00000000 - 0x0FFFFFFF

ROM(FLASH) 0x10000000 - 0x1FFFFFFF

RAM 0x20000000 - 0x2FFFFFFF

などとなっています。
プログラムを開発する際には、開発対象マイコンに関する情報を入手する必要があります。
ベクタテーブルの準備
ベクタテーブルとは、各種例外発生時に呼び出される特定のルーチン（ハンドラ）のアドレス
を格納する配列です。
ベクタテーブルの要素数や配置場所も、マイコンの仕様で定められています。
Raspberry Pi Picoの場合は、ROM内の先頭にあるセカンドブートローダ（256byte）
の直後に存在する必要があります。
スタートアップ処理
組み込みRustのプログラムの本体部分はmain()関数に記述されていますが
この本体処理部分の実行を開始する前に、スタートアップ処理が必要になります。
スタートアップ処理では通常
・マイコン本体や周辺装置の初期化
・BSS(Block Started by Symbol)領域の0クリア
・初期値を持つグローバル変数は、初期値はROMに保管されていますが、プログラム実行時
　にはRAM上に配置しないと値が書き換えられないため、ROMからRAM領域へコピー
などを行います。
スタートアップ処理は通常リセットハンドラから起動され、上記の処理を行った後
最後にRustのmain()関数にジャンプし、本体処理が開始されます。
リンカスクリプトの記述
組み込みRustでは、2-4で述べたような制約事項を満たすように実行モジュールを作成
する必要があります。モジュールはリンカがオブジェクトファイルを結合して作成しますが
上記の制約事項をリンカに指示する為、リンカスクリプトファイルを作成します。
（リンカスクリプトの文法は非常に複雑なので、ここでは内容は割愛します）
Rustからアセンブラの呼び出し
Rustは高級言語のためCPUのレジスタを直接操作するような低レベルの処理を行う命令が
ありません。しかし割り込みの禁止・解除、プログラムの実行コンテキストのスタックへの
保管や取り出しなどを実現するには、どうしてもCPUのレジスタを直接操作する必要が
出てきます。組み込みRustでは、インラインアセンブラマクロ asm! を使う事で
Rustからアセンブラの命令を発行する事ができます。
また、アセンブラ命令に与えるパラメータを指定することも出来ます。

メモリ	アドレス範囲
ROM	0x00000000 - 0x0FFFFFFF
ROM(FLASH)	0x10000000 - 0x1FFFFFFF
RAM	0x20000000 - 0x2FFFFFFF

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