【Rust光年纪】探索Rust嵌入式开发利器：从硬件访问到USB绑定

Rust硬件访问库全面比较：选择最适合你的工具

前言

随着物联网和嵌入式系统的普及，对于树莓派等硬件设备的访问需求逐渐增加。在Rust语言领域，为了满足这一需求，出现了一系列针对树莓派和嵌入式设备的硬件访问库。本文将介绍其中几个重要的库，分析它们的核心功能、使用场景、安装与配置方法以及API概览，旨在帮助开发者更好地选择合适的工具来进行硬件访问。

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1. rppal：一个为Raspberry Pi提供硬件访问的库

1.1 简介

rppal 是一个为 Raspberry Pi 提供硬件访问的 Rust 库，它使得开发者可以轻松地与树莓派的 GPIO、SPI 和 I2C 接口进行交互。

1.1.1 核心功能

• 提供 GPIO 控制
• 支持 SPI 和 I2C 接口
• 允许在 Rust 中进行硬件编程

1.1.2 使用场景

rppal 可以用于树莓派上的各种物联网设备、嵌入式系统和其他需要与硬件交互的场景。

1.2 安装与配置

1.2.1 安装指南

首先，确保你的树莓派已经安装了 Rust 工具链。然后，在你的项目中添加 rppal 依赖：

[dependencies]
rppal = "0.12"

1.2.2 基本配置

根据 官方文档 的说明，你需要确保树莓派的 SPI 和 I2C 接口已经启用，并且当前用户有权限访问 GPIO。

1.3 API 概览

1.3.1 GPIO 操作

rppal 可以通过简单易用的 API 实现对 GPIO 的操作。以下是一个简单的例子，将引脚设置为输出并控制其电平：

use rppal::gpio::{Gpio, Mode};

fn main() {
    let pin = Gpio::new().unwrap().get(21).unwrap();
    pin.export().unwrap();
    pin.set_mode(Mode::Output);
    pin.write(1);
}

更多关于 GPIO 的操作，请参考 rppal GPIO 文档。

1.3.2 SPI 和 I2C 支持

rppal 还提供了对 SPI 和 I2C 接口的支持。下面是一个简单的 SPI 示例代码，向 SPI 设备发送数据并读取返回数据：

use rppal::spi::{Bus, SlaveSelect, Spi};

fn main() {
    let mut spi = Spi::new(Bus::Spi0, SlaveSelect::Ss0, 1_000_000, 8).unwrap();
    let mut buffer = [0u8; 4];
    spi.transfer(&mut buffer).unwrap();
    println!("{:?}", buffer);
}

详细的 SPI 和 I2C API 说明请参考 rppal SPI 文档 和 rppal I2C 文档。

2. rhal：一个硬件抽象库

2.1 简介

rhal是一个用于Rust语言的硬件抽象库，旨在简化嵌入式系统对外部硬件的访问和控制。

2.1.1 核心功能

• 提供统一的接口，方便开发者与不同类型的硬件进行交互
• 支持设备驱动的开发和管理
• 提供硬件接口管理功能

2.1.2 使用场景

rhal适用于嵌入式系统开发，特别是针对需要与外部硬件（如传感器、执行器等）交互的应用场景。它可以帮助开发者更轻松地编写可移植、可复用的嵌入式代码。

2.2 安装与配置

2.2.1 安装方法

要使用rhal，首先需要在项目的Cargo.toml文件中添加对rhal的依赖：

[dependencies]
rhal = "0.1.0"

然后在代码中引入rhal库：

use rhal;

2.2.2 基本设置

在开始使用rhal之前，可能需要根据目标硬件平台进行一些基本设置。具体的设置步骤可以查看rhal官方文档。

2.3 API 概览

2.3.1 硬件接口管理

rhal提供了丰富的硬件接口管理功能，例如对于GPIO（通用输入/输出）的操作。以下是一个简单的示例代码，演示如何使用rhal库控制GPIO的输入输出：

use rhal::gpio;

fn main() {
    let pin = gpio::Pin::new(1); // 创建一个GPIO引脚实例，假设引脚编号为1
    pin.set_direction(gpio::Direction::Out); // 将引脚设置为输出模式
    pin.set_high(); // 将引脚输出高电平
}

更多关于GPIO的操作方法，请参考rhal官方文档。

2.3.2 设备驱动支持

除了基本的硬件接口管理外，rhal还提供了丰富的设备驱动支持，以便开发者能够更轻松地与各种外部设备进行交互。以下是一个简单的示例代码，演示如何使用rhal库对I2C设备进行读写操作：

use rhal::i2c;

fn main() {
    let mut i2c_dev = i2c::Device::new(0x50); // 创建一个I2C设备实例，设备地址为0x50
    let data = [0xAB, 0xCD, 0xEF];
    i2c_dev.write(&data); // 向I2C设备写入数据
    let mut buf = [0u8; 4];
    i2c_dev.read(&mut buf); // 从I2C设备读取数据
}

更多关于设备驱动的操作方法，请参考rhal官方文档。

3. rusb：用于 USB 设备的 Rust 绑定

3.1 简介

rusb 是一个为 Rust 提供对 USB 设备进行交互的库，它可以让开发者通过 Rust 语言来控制和操作 USB 设备。

3.1.1 核心功能

rusb 的核心功能包括对 USB 设备的识别、数据传输操作等。开发者可以使用 rusb 来枚举已连接的 USB 设备、读取设备描述符、发送和接收数据等。

3.1.2 使用场景

rusb 可以被广泛应用于各种需要与 USB 设备进行交互的场景，例如 USB 设备测试、嵌入式系统开发、USB 设备驱动程序开发等领域。

3.2 安装与配置

要开始使用 rusb，首先需要安装并配置好相应的开发环境。

3.2.1 安装说明

你可以在 Cargo.toml 中添加 rusb 作为依赖：

[dependencies]
rusb = "0.6"

然后运行 cargo build 进行安装。

3.2.2 基本配置

在 Rust 项目中引入 rusb 库：

extern crate rusb;
use rusb::{Context, Device, DeviceList, DeviceHandle, Direction};

3.3 API 概览

rusb 提供了丰富的 API 来操作 USB 设备。下面分别介绍几个重要的 API。

3.3.1 USB 设备识别

// 创建一个上下文对象
let context = Context::new().unwrap();

// 获取已连接的设备列表
let device_list = context.devices().unwrap();

// 遍历设备列表
for device in device_list.iter() {
    let device_desc = device.device_descriptor().unwrap();
    println!("Vendor ID: {:x}", device_desc.vendor_id());
    println!("Product ID: {:x}", device_desc.product_id());
}

官方文档-Device

3.3.2 数据传输操作

// 打开设备
let mut handle = device.open().unwrap();

// 发送数据
let data = [0x01, 0x02, 0x03];
handle.write_bulk(1, &data, std::time::Duration::from_secs(1)).unwrap();

// 接收数据
let mut buf = [0u8; 10];
let size = handle.read_bulk(2, &mut buf, std::time::Duration::from_secs(1)).unwrap();
println!("Received {} bytes: {:?}", size, &buf[..size]);

官方文档-DeviceHandle

通过以上示例，我们可以看到如何使用 rusb 库来枚举设备、读取设备描述符以及进行数据的发送和接收操作。这些功能让开发者能够便捷地控制 USB 设备，实现各种自定义的 USB 应用程序。

4. serialport：串口通信 Rust 库

4.1 简介

serialport 是一个用于串口通信的 Rust 库，它提供了一种简单而稳定的方式来与串口设备进行交互。

4.1.1 核心功能

• 提供串口打开与配置的功能
• 支持串口数据的读写操作

4.1.2 使用场景

serialport 可以被广泛应用于需要与外部硬件进行通信的场景，比如嵌入式系统、传感器数据采集等。

4.2 安装与配置

4.2.1 安装指导

你可以在 Cargo.toml 文件中加入以下依赖：

[dependencies]
serialport = "3.1"

然后在代码中引入 serialport 库：

extern crate serialport;

4.2.2 基本设置

接下来，你需要根据具体的操作系统配置串口权限。在 Unix 系统下，你可能需要将用户加入 dialout 组；在 Windows 系统下，你可能需要在设备管理器中设置串口属性。

4.3 API 概览

4.3.1 串口打开与配置

use serialport::prelude::*;

fn main() {
    let settings: SerialPortSettings = Default::default();
    let port = serialport::new("/dev/ttyUSB0", &settings).open();
    match port {
        Ok(mut port) => { /* 串口已经成功打开 */ },
        Err(err) => eprintln!("{:?}", err),
    }
}

官网链接：serialport

4.3.2 数据读写

use std::io::{self, Write};
use serialport::SerialPort;

fn main() {
    let mut port = serialport::new("/dev/ttyUSB0", 9600).open().unwrap();
    
    let mut buf: Vec<u8> = vec![0; 100];
    match port.read(buf.as_mut_slice()) {
        Ok(t) => io::stdout().write_all(&buf[..t]).unwrap(),
        Err(ref e) if e.kind() == io::ErrorKind::TimedOut => (),
        Err(e) => eprintln!("{:?}", e),
    }
}

官网链接：serialport

通过使用 serialport 库，你可以快速方便地实现串口通信功能，并且可以轻松地与其他 Rust 生态系统集成，满足各种串口通信需求。

5. embedded-hal：嵌入式硬件抽象层

5.1 简介

embedded-hal 是一个 Rust 语言的库，提供了一种通用的方式来访问嵌入式硬件。它被设计为一个硬件抽象层，可以帮助开发者编写可移植的嵌入式软件。通过 embedded-hal，开发者可以在不同的嵌入式平台上复用他们的代码，而不需要重写硬件驱动。

5.1.1 核心功能

embedded-hal 的核心功能包括 GPIO 控制、定时器和中断处理、串口通信等。它定义了一系列 traits，开发者可以实现这些 traits 来针对特定的硬件进行访问。

5.1.2 使用场景

embedded-hal 可以应用于各种嵌入式系统开发场景，尤其适用于需要在不同硬件平台上移植的项目。使用 embedded-hal 可以降低代码的耦合性，提高代码的可移植性和复用性。

5.2 安装与配置

5.2.1 安装步骤

要使用 embedded-hal，首先需要在 Rust 项目的 Cargo.toml 文件中添加如下依赖：

[dependencies]
embedded-hal = "0.2"

然后在代码中引入 embedded-hal：

extern crate embedded_hal;
use embedded_hal::digital::v2::OutputPin;

5.2.2 基本使用

下面演示了如何使用 embedded-hal 控制一个 LED 灯的点亮和熄灭。

extern crate embedded_hal;
use embedded_hal::digital::v2::OutputPin;
use std::thread;
use std::time::Duration;

fn main() {
    let mut led = MyLed; // 使用自己的 LED 类型替换此处

    loop {
        led.set_high().ok(); // 点亮 LED
        thread::sleep(Duration::from_millis(1000));
        led.set_low().ok(); // 熄灭 LED
        thread::sleep(Duration::from_millis(1000));
    }
}

5.3 API 概览

5.3.1 定时器和中断

embedded-hal 提供了定时器和中断的抽象接口，可以轻松地在嵌入式系统中实现定时器和中断功能。

以下是一个使用 embedded-hal 定时器 trait 的简单示例：

extern crate embedded_hal;
use embedded_hal::timer::CountDown;

fn main() {
    let mut timer = MyTimer; // 使用自己的定时器类型替换此处

    timer.start(1000); // 启动定时器，设置时间为 1000ms

    loop {
        if timer.wait().is_ok() {
            // 定时器超时后执行的操作
        }
    }
}

5.3.2 通信协议支持

embedded-hal 还提供了对于常见通信协议（如 SPI、I2C、UART）的抽象接口，开发者可以通过这些接口方便地进行外设间的通信操作。

以下是一个使用 embedded-hal SPI trait 的简单示例：

extern crate embedded_hal;
use embedded_hal::spi::{Mode, Phase, Polarity, FullDuplex};

fn main() {
    let mut spi = MySpi; // 使用自己的 SPI 类型替换此处

    spi.set_mode(Mode {
        polarity: Polarity::IdleHigh,
        phase: Phase::CaptureOnFirstTransition,
    });

    let mut buffer = [0u8; 4];
    let _result = spi.transfer(&mut buffer);
}

以上是 embedded-hal 库的简要介绍和基本使用方法，更多详细信息，请参考 [embedded-hal 官方文

6. bcm2835：对 Raspberry Pi 硬件的低级访问

6.1 简介

bcm2835 是用于对 Raspberry Pi 硬件进行低级访问的库，它提供了对 GPIO 控制、PWM 和定时器功能的支持。通过 bcm2835 库，开发者可以直接与 Raspberry Pi 的硬件进行交互，实现更加灵活和定制化的应用。

6.1.1 核心功能

• GPIO 控制
• PWM 和定时器功能

6.1.2 使用场景

bcm2835 主要用于需要直接操作 Raspberry Pi 硬件的场景，例如物联网设备、嵌入式系统以及各类自定义硬件交互项目中。

6.2 安装与配置

6.2.1 安装方法

首先需要下载 bcm2835 库的源代码，并进行编译安装。具体安装步骤如下：

wget http://www.airspayce.com/mikem/bcm2835/bcm2835-1.68.tar.gz
tar xvfz bcm2835-1.68.tar.gz
cd bcm2835-1.68
./configure
make
sudo make check
sudo make install

6.2.2 基本设置

安装完成后，为了使用 bcm2835 库，需要在项目中引入相应的头文件，并链接 bcm2835 库。

extern crate bcm2835;

fn main() {
    // 初始化 bcm2835 库
    if !bcm2835::init() {
        panic!("无法初始化 bcm2835 库");
    }
    // 其他操作
    bcm2835::close();
}

6.3 API 概览

6.3.1 GPIO 控制

bcm2835 提供了丰富的 GPIO 控制 API，可以方便地读取和写入 GPIO 状态。以下是一个简单的 Rust 示例代码，演示如何控制 GPIO：

extern crate bcm2835;

fn main() {
    if !bcm2835::init() {
        panic!("无法初始化 bcm2835 库");
    }

    // 设置 GPIO18 为输出
    bcm2835::gpio_fsel(bcm2835::RPI_V2_GPIO_P1_12, bcm2835::BCM2835_GPIO_FSEL_OUTP);
    
    // 输出高电平
    bcm2835::gpio_set(bcm2835::RPI_V2_GPIO_P1_12);

    // 输出低电平
    bcm2835::gpio_clr(bcm2835::RPI_V2_GPIO_P1_12);

    bcm2835::close();
}

更多 GPIO 控制的 API 可以参考 官方文档。

6.3.2 PWM 和定时器功能

除了 GPIO 控制，bcm2835 还提供了 PWM 和定时器功能的 API。下面是一个简单的 Rust 示例代码，演示如何使用 PWM 控制 LED 亮度：

extern crate bcm2835;

fn main() {
    if !bcm2835::init() {
        panic!("无法初始化 bcm2835 库");
    }

    // 设置 GPIO18 为 PWM 输出
    bcm2835::gpio_fsel(bcm2835::RPI_V2_GPIO_P1_12, bcm2835::BCM2835_GPIO_FSEL_ALT5);

    // 设置 PWM 时钟和范围
    let clock_divider = 2;
    let range = 1024;
    bcm2835::pwm_set_clock(clock_divider);
    bcm2835::pwm_set_mode(bcm2835::RPI_PWM_MODE_MS);
    bcm2835::pwm_set_range(bcm2835::RPI_V2_GPIO_P1_12, range);

    // 设置 PWM 数据
    let data = 512;
    bcm2835::pwm_set_data(bcm2835::RPI_V2_GPIO_P1_12, data);

    bcm2835::close();
}

更多 PWM 和定时器功能的 API 可以参考 [官

总结

本文介绍了几个与嵌入式硬件相关的Rust库，包括rppal、rhal、rusb、serialport、embedded-hal和bcm2835。这些库分别针对树莓派硬件访问、硬件抽象、USB设备绑定、串口通信以及嵌入式硬件抽象层等方面，提供了丰富的功能和工具。了解这些库的特点和适用范围有助于开发者在嵌入式系统开发中选择合适的工具，提高开发效率和项目质量。