Embassy: 革新嵌入式Rust开发的异步框架

最新推荐文章于 2024-12-09 12:16:56 发布

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分类专栏： MCU 文章标签： rust 嵌入式

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引言

在嵌入式系统开发领域,Rust语言因其内存安全性和高性能而备受青睐。然而,传统的嵌入式Rust开发往往依赖于裸机编程或RTOS,缺乏现代异步编程的便利性。Embassy框架的出现,为嵌入式Rust开发带来了一场革新,让开发者能够以异步、高效的方式编写嵌入式应用程序。本文将深入介绍Embassy框架的特性、工作原理及其在实际开发中的应用。

Embassy简介

Embassy是一个为嵌入式系统设计的异步Rust执行时和HAL(硬件抽象层)框架。它的主要目标是:

提供零成本的异步抽象
支持多种微控制器平台
实现高效的资源利用
简化嵌入式应用程序的开发

Embassy的核心思想是将嵌入式开发中的各种操作(如I/O、定时器等)抽象为异步任务,并通过高效的调度器来管理这些任务。

Embassy的主要特性

1. 零成本异步抽象

Embassy利用Rust的async/await语法,提供了零开销的异步编程模型。这意味着开发者可以使用熟悉的异步编程范式,而不会引入额外的运行时开销。

2. 高效的任务调度器

Embassy内置了一个轻量级的协作式多任务调度器,可以高效地管理和切换异步任务。这个调度器被设计为尽可能减少内存使用和上下文切换开销。

3. 丰富的HAL支持

Embassy为多种常见的微控制器外设(如GPIO、UART、SPI、I2C等)提供了异步HAL实现。这些HAL抽象了底层硬件细节,使得开发者可以更专注于应用逻辑。

4. 中断驱动的事件系统

Embassy实现了一个基于中断的事件系统,允许硬件中断直接唤醒相关的异步任务。这种设计极大地提高了系统的响应性和能效。

5. 静态内存分配

Embassy鼓励使用静态内存分配,避免了动态内存分配带来的不确定性。这对于资源受限的嵌入式系统尤其重要。

6. 无RTOS依赖

Embassy可以直接运行在裸机上,不需要依赖传统的RTOS。这简化了系统架构,减少了内存占用和系统复杂性。

Embassy的工作原理

Embassy的核心是其异步执行时和任务调度器。当一个异步任务被创建时,它会被添加到调度器的任务队列中。调度器负责在合适的时机唤醒和执行这些任务。

当一个任务需要等待某个事件(如I/O操作完成)时,它会让出执行权,调度器会切换到其他可执行的任务。一旦等待的事件发生(通常由中断触发),相关的任务会被重新加入到可执行队列中。

这种基于事件的异步模型非常适合嵌入式系统,因为它可以充分利用系统资源,减少空闲等待时间。

使用Embassy的示例

下面是一个使用Embassy进行LED闪烁的简单示例:

#[embassy_executor::main]
async fn main(spawner: Spawner) {
    let p = embassy_stm32::init(Default::default());
    let mut led = Output::new(p.PC13, Level::High, Speed::Low);

    loop {
        led.set_high();
        Timer::after(Duration::from_millis(1000)).await;
        led.set_low();
        Timer::after(Duration::from_millis(1000)).await;
    }
}

在这个例子中,我们使用Embassy的异步Timer来实现LED的闪烁。注意await关键字的使用,它允许我们以同步的方式编写异步代码。

再来看一个稍微复杂的例子：

use defmt::info;
use embassy_executor::Spawner;
use embassy_time::{Duration, Timer};
use embassy_nrf::gpio::{AnyPin, Input, Level, Output, OutputDrive, Pin, Pull};
use embassy_nrf::Peripherals;

// Declare async tasks
#[embassy_executor::task]
async fn blink(pin: AnyPin) {
    let mut led = Output::new(pin, Level::Low, OutputDrive::Standard);

    loop {
        // Timekeeping is globally available, no need to mess with hardware timers.
        led.set_high();
        Timer::after_millis(150).await;
        led.set_low();
        Timer::after_millis(150).await;
    }
}

// Main is itself an async task as well.
#[embassy_executor::main]
async fn main(spawner: Spawner) {
    let p = embassy_nrf::init(Default::default());

    // Spawned tasks run in the background, concurrently.
    spawner.spawn(blink(p.P0_13.degrade())).unwrap();

    let mut button = Input::new(p.P0_11, Pull::Up);
    loop {
        // Asynchronously wait for GPIO events, allowing other tasks
        // to run, or the core to sleep.
        button.wait_for_low().await;
        info!("Button pressed!");
        button.wait_for_high().await;
        info!("Button released!");
    }
}