今天，我們來看看 Rust 在嵌入式系統開發中的應用，Rust 的安全性和效能特性使其成為嵌入式開發的理想選擇。

1. Rust 與微控制器程式設計

Rust 提供了強大的工具和生態系統來支援微控制器的開發。

使用 embedded-hal 抽象硬體操作

use embedded_hal::digital::v2::OutputPin;

struct Led<PIN> {
    pin: PIN,
}

impl<PIN: OutputPin> Led<PIN> {
    fn new(pin: PIN) -> Self {
        Led { pin }
    }

    fn on(&mut self) -> Result<(), PIN::Error> {
        self.pin.set_high()
    }

    fn off(&mut self) -> Result<(), PIN::Error> {
        self.pin.set_low()
    }
}

2. 無作業系統 (no_std) 環境

在許多嵌入式系統中，我們需要在沒有標準函式庫的環境中工作：

#![no_std]
#![no_main]

use panic_halt as _;
use cortex_m_rt::entry;

#[entry]
fn main() -> ! {
    loop {
        // 主要邏輯
    }
}

3. 中斷處理

處理硬體中斷是嵌入式系統的關鍵部分：

use cortex_m::peripheral::NVIC;
use cortex_m_rt::exception;

#[exception]
fn SysTick() {
    // 處理系統計時器中斷
}

fn enable_systick_interrupt() {
    unsafe {
        NVIC::unmask(Interrupt::SysTick);
    }
}

4. 實現即時系統

在即時系統中，時間準確性至關重要。以下是一個簡單的即時任務排程器範例：

struct Task {
    priority: u8,
    execute: fn(),
}

struct Scheduler {
    tasks: [Option<Task>; 10],
}

impl Scheduler {
    fn new() -> Self {
        Scheduler {
            tasks: [None; 10],
        }
    }

    fn add_task(&mut self, priority: u8, task: fn()) {
        if let Some(slot) = self.tasks.iter_mut().find(|slot| slot.is_none()) {
            *slot = Some(Task { priority, execute: task });
        }
    }

    fn run(&self) {
        loop {
            for task in self.tasks.iter().flatten() {
                (task.execute)();
            }
        }
    }
}

5. 使用 RTIC (Real-Time Interrupt-driven Concurrency) 框架

RTIC 是一個專門為嵌入式系統設計的並行框架：

#[rtic::app(device = stm32f4::stm32f401)]
const APP: () = {
    #[shared]
    struct Shared {
        // 共享資源
    }

    #[local]
    struct Local {
        // 本地資源
    }

    #[init]
    fn init(ctx: init::Context) -> (Shared, Local, init::Monotonics) {
        // 初始化邏輯
        (Shared {}, Local {}, init::Monotonics())
    }

    #[task(binds = EXTI0, shared = [/* 共享資源 */])]
    fn button_press(ctx: button_press::Context) {
        // 處理按鈕按下事件
    }
};

6. 與感測器互動

以下是與 I2C 感測器互動的範例：

use embedded_hal::blocking::i2c;

struct TemperatureSensor<I2C> {
    i2c: I2C,
    address: u8,
}

impl<I2C, E> TemperatureSensor<I2C>
where
    I2C: i2c::WriteRead<Error = E>,
{
    fn new(i2c: I2C, address: u8) -> Self {
        TemperatureSensor { i2c, address }
    }

    fn read_temperature(&mut self) -> Result<f32, E> {
        let mut buffer = [0u8; 2];
        self.i2c.write_read(self.address, &[0x00], &mut buffer)?;
        let raw_temp = u16::from_be_bytes(buffer);
        Ok(raw_temp as f32 * 0.01)
    }
}

7. 電源管理

做好電源管理在嵌入式系統中是很重要的需求：

use cortex_m::asm;

fn enter_low_power_mode() {
    unsafe {
        // 進入低功耗模式
        asm::wfi();
    }
}

fn wake_up() {
    // 從低功耗模式喚醒
}

結論

Rust 在嵌入式系統開發中有很大的潛力。Rust的安全性保證和零成本抽象使開發人員能夠編寫高效、可靠的嵌入式程式碼。透過 Rust 的生態系統，我們可以更容易地處理硬體抽象、中斷、即時系統和電源管理等關鍵問題，只是關鍵的還是目前Rust的開發者在市場上仍屬於相對少數，在開發人力成本考量上會有很大一部分的影響了專案是否採用Rust開發。