Neue Programmiersprachen werden in der Regel als Reaktion auf Unzulänglichkeiten bestehender Sprachen entwickelt. Dies steht häufig mit der Leistung, Benutzerfreundlichkeit oder fehlenden Unterstützung neuer Informatikkonzepte in Zusammenhang. Im Bereich der Embedded Electronics, insbesondere in Bezug auf Mikrocontroller, wurde die Programmiersprache Rust vor allem infolge zahlreicher Unzulänglichkeiten der Programmiersprache C eingeführt – seit Jahrzehnten das Maß der Dinge bei der Entwicklung von Embedded Systems.

Der bereits in den frühen 1970er Jahren entwickelten Sprache C fehlen viele moderne Funktionen, auf die Softwareentwickler heute angewiesen sind. In der folgenden Liste werden einige der wichtigsten Unzulänglichkeiten von C bei der Entwicklung von Embedded Systems hervorgehoben:

• Paketverwaltung: Rust umfasst das Build-System und die Paketverwaltungssoftware Cargo, während C keine offizielle Paketverwaltungslösung bietet. Über die Paketverwaltung kann Code wiederverwendet werden, da Bibliotheken (in Cargo „Crates“ genannt) leicht in ein neues Projekt integriert werden können. Wenn bestehende, bewährte Code-Bibliotheken genutzt werden, verringern sich die Entwicklungsrisiken im Vergleich zum Neuschreiben von Code.
• Bessere Speicherverwaltung: Das Ownership- und Borrowing-System für Speicher von Rust beseitigt das Risiko von Speicherlecks und anderen speicherbezogenen Fehlern. C-basierte Sprachen sind aufgrund ihrer Abhängigkeit von weniger zuverlässigen Garbage-Collection-Techniken wiederum anfällig für solche Lecks und Fehler.
• Gleichzeitigkeit: Das Ownership-System und die Datenstrukturen von Rust ermöglichen eine sicherere und effizientere Gleichzeitigkeit, die in Embedded Systems entscheidend ist.
• Keine Null-Dereferenzierung: Rust beseitigt die Null-Pointer-Dereferenzierung, eine häufige Fehlerquelle in C, indem der Option-Typ für Werte verwendet wird, die null sein können.
• Moderne Datenstrukturen: Rust unterstützt Datenstrukturkonzepte wie Generics und Traits, wodurch die Wartbarkeit des Quellcodes verbessert wird.

Obwohl C zahlreiche Unzulänglichkeiten aufweist, ist sie auch heute noch die vorherrschende Sprache. So haben die Entwickler von Rust sichergestellt, dass ihre neue Sprache mit C-Code interoperabel ist, sodass Entwickler von Embedded Systems vorhandene C-Bibliotheken in Rust-Anwendungen nutzen können.

Rust: Vom Web zu Mikrocontrollern

Die Idee für Rust stammt von Graydon Hoare, der 2006 im Rahmen eines privaten Projekts mit der Entwicklung dieser Programmiersprache begann, während er bei Mozilla beschäftigt war. Ihm ging es damals darum, die Leistung und Zuverlässigkeit komplexer paralleler Computingaufgaben zu verbessern, die bei den damaligen Webbrowsern zu erheblichen Problemen führten. Im Jahr 2022 war Rust dann nach Assembly und C erst die dritte Programmiersprache, die für die Entwicklung des Linux-Kernels zugelassen wurde.

Die Rust-Benutzergruppe gründete 2018 die Embedded Rust Working Group, um die Entwicklung einer leichtgewichtigen Version von Rust zu überwachen, die speziell für eingebettete Plattformen wie ARM^® Cortex^®-M, MSP430 und RISC-V vorgesehen war. Embedded Rust Development Tools sind für Windows, macOS und zahlreiche Linux-Distributionen verfügbar. Viele moderne Code-Editoren – wie Visual Studio Code, Sublime, Atom, RustOver und Eclipse – bieten Unterstützung für Rust. Bevor wir uns aber mit den praktischen Aspekten von Embedded Rust befassen, wollen wir einige einzigartige Konzepte betrachten, die traditionellen Softwareentwicklern beim Übergang zur Entwicklung von Embedded Systems helfen können:

• Peripheral Access Crate (PAC): Der PAC bietet eine direkte Schnittstelle zu den Peripheriegeräten eines Mikrochips. Benutzer interagieren nicht oft mit dem PAC, es sei denn, sie entwickeln eine Hardware-Abstraktionsschicht für neue Mikrocontroller oder stellen fest, dass die höheren Schichten den Anforderungen der Applikation nicht genügen.
• Hardware Abstraction Layer (HAL): Der HAL baut auf dem PAC des Chips auf und ermöglicht eine Abstraktion, für die keine detaillierten Kenntnisse zu den individuellen Verhaltensweisen des Chips erforderlich sind. In der Regel werden ganze Peripheriegeräte in einzelne Strukturen (auch Structs genannt) abstrahiert, z. B. in eine einheitliche Struktur, die zum Senden von Daten an und von On-Chip-Peripheriegeräten verwendet werden kann.
• Board Support Crate (BSC): Der BSC ist in anderen Embedded-Entwicklungsumgebungen als Board Support Package bekannt und abstrahiert in Rust ganze Boards. Folglich muss er Abstraktionen für den Mikrocontroller des Boards sowie für alle Peripheriegeräte wie Sensoren und LEDs erstellen. In den meisten Fällen werden Ingenieure nur mit dem HAL des Chips arbeiten und dann entweder Treiber für Peripheriegeräte erstellen oder diese auf Crate-Aggregator-Sites suchen.

Praktisches Beispiel für ein STMicroelectronics Board

Der wichtigste Teil des Rust-Embedded-Ökosystems ist die embedded-hal-Rust-Bibliothek, die eine gemeinsame Schnittstelle für die Arbeit mit Hardware-Peripheriegeräten auf verschiedenen Mikrocontroller-Plattformen bietet. Das Ziel von embedded-hal ist es, Code-Portabilität und Wiederverwendbarkeit bei der Entwicklung von Software für Embedded Systems zu ermöglichen. Embedded-hal definiert Traits und Abstraktionen für gängige Embedded-Hardware-Peripheriegeräte wie GPIO-Pins, SPI, I²C, UART, Timer und mehr. Diese Traits bieten eine standardisierte API für die Interaktion mit diesen Peripheriegeräten, was das Schreiben von portierbarem Embedded-Code erleichtert.

Einer der Hauptvorteile von embedded-hal ist seine Plattformunabhängigkeit. Sie können mit embedded-hal Code schreiben, der auf verschiedenen Mikrocontroller-Architekturen und Development Boards funktioniert, ohne geändert werden zu müssen. Voraussetzung ist, dass die Zielplattform die erforderlichen Traits implementiert.

Embedded-hal umfasst zwar allgemeine Abstraktionen, kann aber auch angepasst werden. Wenn ein bestimmter Mikrocontroller oder eine bestimmte Plattform über einzigartige Merkmale oder Fähigkeiten verfügt, können Sie die embedded-hal-Traits für diese Merkmale implementieren, um eine einheitliche Schnittstelle zu schaffen.

Hier ein Beispiel, wie Sie embedded-hal in Rust-Code verwenden können:

use embedded_hal::digital::v2::{OutputPin, InputPin};

use stm32f4xx_hal::{gpio::gpioa::PA5, stm32};

fn main() {

   // Initialisiere den Mikrocontroller

let dp = stm32::Peripherals::take().unwrap();

let cp = cortex_m::peripheral::Peripherals::take().unwrap():

   let mut rcc = dp.RCC.constrain();

   let _clocks = rcc.cfgr.freeze();

   // Konfiguriere einen GPIO-Pin mit embedded_hal

   let gpioa = dp.GPIOA.split();

   let mut led = gpioa.pa5.into_push_pull_output();

   // Bringe die LED zum Blinken

   loop {

led.set_high().unwrap();

      cortex_m::asm::delay(1_000_000);

led.set_low().unwrap();

      cortex_m::asm::delay(1_000_000);

   }

}

In diesem Beispiel verwenden wir embedded-hal-Eigenschaften wie OutputPin, um eine an einen GPIO-Pin angeschlossene LED zu steuern. Der Code ist so geschrieben, dass er auf einem anderen STM32-Mikrocontroller wiederverwendet werden kann. Zu diesem Zweck wird nur die zweite Zeile des Codes mit dem gewünschten Board geändert. Beachten Sie, dass dies nur gilt, solange die embedded-hal-Traits für GPIO-Pins unterstützt werden und die erforderlichen Peripheriegeräte vorhanden sind.

Fazit

Rust wurde entwickelt, um Unzulänglichkeiten bei der Programmiersprache C zu beheben, insbesondere bei Embedded Systems. Mit Funktionen wie Paketverwaltung, besserer Speicherverwaltung, sicherer Gleichzeitigkeit und modernen Datenstrukturen bietet Rust erhebliche Verbesserungen gegenüber C. Durch die Interoperabilität von Rust mit C können Entwickler außerdem vorhandene C-Bibliotheken nutzen. Die Gründung der Embedded Rust Working Group und Tools wie die embedded-hal-Bibliothek unterstreichen, wie stark sich das Team hinter Rust für eine optimierte Entwicklung von Embedded Systems einsetzt. Dafür bietet Rust einen plattformunabhängigen und anpassbaren Ansatz, über den die Portabilität und Wiederverwendbarkeit von Code auf verschiedenen Mikrocontroller-Plattformen gefördert wird.