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rust嵌入式开发零基础入门教程(四)

ds 2025/7/25 22:29:25

好的，我们继续 Rust 嵌入式开发的旅程！在前面的部分，我们已经成功地在真实硬件上点亮了 LED。现在，我们将深入了解嵌入式开发中至关重要的概念：中断（Interrupts），以及如何利用它们来响应外部事件，比如按下一个按钮。

10. 理解中断 (Interrupts)

在嵌入式系统中，微控制器不会一直忙于执行你的 loop 循环中的代码。它需要能够响应外部事件，例如用户按下按钮、传感器检测到变化、或者定时器达到预设值。这时，中断就派上用场了。

10.1 什么是中断？

中断是一种硬件机制，当特定事件发生时，它会暂时中止当前正在执行的程序，转而去执行一段特殊设计的代码，这段代码称为中断服务程序（Interrupt Service Routine, ISR）或中断处理程序（Interrupt Handler）。ISR 执行完毕后，程序会返回到它被中断的地方继续执行。

这就像你正在看书，突然电话响了。你放下书（保存当前状态），接电话（执行 ISR），电话打完后，你拿起书（恢复之前状态），继续阅读。

10.2 为什么需要中断？

实时响应： 能够立即响应重要的外部事件，而不是等待主程序循环到检查该事件的代码。
效率： 微控制器不需要不断地“轮询”或检查每个外设的状态。它只在事件发生时才被“唤醒”并处理。
并发性（假）： 虽然不是真正的多任务操作系统，但中断让微控制器看起来像在同时处理多个任务，提高了系统的响应性和效率。

10.3 Cortex-M 中的中断

ARM Cortex-M 处理器有一个内置的嵌套向量中断控制器 (Nested Vectored Interrupt Controller, NVIC)，它负责管理所有的中断请求。每个中断源（如 GPIO 引脚、定时器、UART 等）都有一个唯一的中断号。

当一个中断发生时：

CPU 完成当前指令。
保存当前上下文（寄存器状态）。
通过**中断向量表（Interrupt Vector Table）**找到对应中断号的 ISR 地址。
跳转到 ISR 执行代码。
ISR 执行完毕后，恢复之前保存的上下文。
返回到被中断的程序继续执行。

11. 编写一个按钮控制 LED 的程序

现在我们来编写一个程序：当用户按下开发板上的一个按钮时，LED 的状态会切换（如果亮着就熄灭，如果熄灭就点亮）。

11.1 确定按钮和 LED 引脚

STM32 Nucleo-64 系列 (如 F401RE/F411RE):
- 板载绿色 LED 通常连接到 PA5 引脚（我们上节课用过的）。
- 板载用户按钮 (USER Button) 通常连接到 PC13 引脚。这个按钮是低电平有效的，即按下时引脚电平变为低。
其他板子： 请务必查阅你的开发板原理图或用户手册，确认 LED 和按钮连接的 GPIO 引脚，以及按钮的电平有效性。

11.2 修改 `Cargo.toml` (无需额外修改，沿用上一节的配置)

由于我们使用的是 stm32f4xx-hal，并且只使用了 GPIO 和中断相关的基本功能，所以 Cargo.toml 的配置可以沿用上一节的。如果你使用的是其他系列的芯片，请确保 Cargo.toml 中的 HAL 库和 features 与你的芯片匹配。

11.3 编写 `src/main.rs`

现在，打开 src/main.rs 文件，并将其内容替换为以下代码。这个程序会相对复杂一些，因为它涉及到了中断的配置。

Rust

#![no_std]
#![no_main]use panic_halt as _; // panic 时停止 CPU// 导入核心运行时和中断相关宏
use cortex_m_rt::{entry, exception};
// 导入外设访问和HAL库
use stm32f4xx_hal::{gpio::{Edge, ExtiPin, Input, Gpiob, PinState}, // 导入 GPIO 相关类型，如 ExtiPin 用于外部中断pac::{self, interrupt}, // 导入 PAC 外设和 interrupt 宏prelude::*, // 导入常用的 trait
};// 静态可变变量来存储 LED 和按钮的状态
// WARNING: 在嵌入式 Rust 中，全局可变变量的使用需要特别小心，
// 必须用 `cortex_m::interrupt::Mutex` 或 `static mut` 配合 unsafe 块保护。
// 这里我们用 Mutex，并在中断处理函数中安全访问。
use cortex_m::interrupt::Mutex;
use core::cell::RefCell;// 定义全局的 Mutex 来持有 LED 和按钮的 Pin 实例
// RefCell 允许在运行时可变借用，而 Mutex 提供中断安全访问
static G_LED: Mutex<RefCell<Option<stm32f4xx_hal::gpio::PA5<stm32f4xx_hal::gpio::Output<stm32f4xx_hal::gpio::PushPull>>>>> =Mutex::new(RefCell::new(None));
static G_BUTTON: Mutex<RefCell<Option<stm32f4xx_hal::gpio::PC13<stm32f4xx_hal::gpio::Input>>>> =Mutex::new(RefCell::new(None));#[entry]
fn main() -> ! {// 1. 获取对外设的访问权限let dp = pac::Peripherals::take().unwrap();let cp = cortex_m::Peripherals::take().unwrap(); // 内核外设，用于NVIC// 2. 配置时钟let rcc = dp.RCC.constrain();let clocks = rcc.cfgr.use_hse(8.MHz()).sysclk(84.MHz()).freeze();// 3. 配置 GPIOlet gpioa = dp.GPIOA.split();let gpioc = dp.GPIOC.split();// 配置 LED (PA5) 为推挽输出let mut led = gpioa.pa5.into_push_pull_output();led.set_low(); // 初始状态：熄灭// 配置用户按钮 (PC13) 为输入模式，并启用内部上拉电阻 (可选，但通常推荐)// 按钮通常是低电平有效，所以我们需要检测下降沿let mut button = gpioc.pc13.into_pull_up_input();// 4. 配置外部中断 (EXTI)// 获取 EXTI 和 SYSCFG 外设的访问权限，它们用于配置外部中断let mut syscfg = dp.SYSCFG.constrain();let mut exti = dp.EXTI;// 将 PC13 引脚配置为外部中断源，监听下降沿 (按钮按下)// 注意：`listen` 方法会启用该引脚的 EXTI 中断请求button.make_interrupt_source(&mut syscfg);button.trigger_on_edge(&mut exti, Edge::FALLING); // 监听下降沿 (按下按钮)button.enable_interrupt(&mut exti); // 启用该引脚的 EXTI 中断// 5. 将 LED 和 Button 的 Pin 实例存入全局 Mutex// 这样可以在中断服务程序中安全地访问它们cortex_m::interrupt::free(|cs| { // cs 是 CriticalSection，提供原子访问*G_LED.borrow(cs).borrow_mut() = Some(led);*G_BUTTON.borrow(cs).borrow_mut() = Some(button);});// 6. 启用 NVIC 中的 EXTI15_10 中断// PC13 属于 EXTI_LINE13，它由 EXTI15_10 中断向量处理unsafe {cp.NVIC.set_priority(interrupt::EXTI15_10, 1); // 设置中断优先级 (数字越小优先级越高)cortex_m::peripheral::NVIC::unmask(interrupt::EXTI15_10); // 启用中断}// 7. 主循环 (空闲)loop {// 在中断驱动的程序中，主循环通常是空闲的，等待中断发生cortex_m::asm::wfi(); // Wait For Interrupt: 进入低功耗模式，等待中断唤醒}
}// 8. 定义中断服务程序 (ISR)
// `#[interrupt]` 宏将这个函数注册为 EXTI15_10 的中断处理程序
#[interrupt]
fn EXTI15_10() {cortex_m::interrupt::free(|cs| { // 进入临界区，防止中断重入或数据竞争// 获取全局的 LED 和 Button 实例let mut led = G_LED.borrow(cs).borrow_mut();let mut button = G_BUTTON.borrow(cs).borrow_mut();// 确保 LED 和 Button 实例已经被初始化 (Some())if let (Some(led_pin), Some(button_pin)) = (led.as_mut(), button.as_mut()) {// 检查是不是 PC13 触发的中断（因为 EXTI15_10 也会处理其他引脚的中断）if button_pin.check_interrupt() {// 清除 PC13 对应的中断标志位，非常重要！否则中断会不断触发button_pin.clear_interrupt_pending_bit();// 切换 LED 的状态if led_pin.get_state() == PinState::High {led_pin.set_low();} else {led_pin.set_high();}}}});
}

代码解释 (新增/修改部分)：

全局状态管理 (Mutex<RefCell<Option<...>>>):
- 在中断服务程序 (ISR) 中直接访问主函数中创建的变量是受限的。为了让 ISR 能够修改 LED 和按钮的状态，我们需要将它们的 Pin 实例存储在全局可变静态变量中。
- static G_LED: Mutex<RefCell<Option<...>>>: 这种复杂的类型组合是 Rust 嵌入式中安全访问全局可变状态的惯用模式：
  - static: 声明为静态变量，程序启动时创建，生命周期贯穿整个程序。
  - Option<T>: 因为这些变量在 main 函数启动前是 None，直到 main 函数中进行初始化时才变为 Some(T)。
  - RefCell<T>: 提供了内部可变性。通常，不可变引用不能修改数据，但 RefCell 允许你在持有不可变引用的同时进行可变借用（运行时检查）。
  - cortex_m::interrupt::Mutex<T>: 这是关键！它是一个中断安全的互斥锁。在裸机嵌入式中，它通过禁用中断来实现临界区，确保在访问被保护的数据时不会被中断打断，从而避免数据竞争。cortex_m::interrupt::free(|cs| { ... }) 是进入临界区的方式，cs (CriticalSection) 是一个令牌，表示你现在处于临界区。
配置按钮为外部中断源：
- use stm32f4xx_hal::{gpio::{Edge, ExtiPin, Input, Gpiob, PinState}, ...};: 导入了 ExtiPin trait 和 Edge 枚举，用于配置外部中断。
- let mut button = gpioc.pc13.into_pull_up_input();: 配置 PC13 为上拉输入模式。上拉电阻确保按钮未按下时引脚处于高电平。
- let mut syscfg = dp.SYSCFG.constrain();: SYSCFG 外设用于将 GPIO 引脚映射到外部中断线。
- let mut exti = dp.EXTI;: EXTI 外设是外部中断控制器。
- button.make_interrupt_source(&mut syscfg);: 将 PC13 映射到 EXTI 外部中断线。
- button.trigger_on_edge(&mut exti, Edge::FALLING);: 配置 EXTI，使其在引脚电平从高到低变化时触发（即按钮按下）。
- button.enable_interrupt(&mut exti);: 启用该 EXTI 线的请求。
使能 NVIC 中的中断：
- unsafe { cp.NVIC.set_priority(interrupt::EXTI15_10, 1); ... }: 这是告诉处理器允许 EXTI15_10 中断发生。
  - EXTI15_10: 这是一个枚举值，代表处理 EXTI 线 10-15 的中断向量。因为 PC13 是 EXTI 线 13，所以它由这个向量处理。
  - set_priority: 设置中断优先级。数字越小优先级越高。
  - unmask: 启用特定中断。unsafe 块是必要的，因为直接操作 NVIC 是低级操作，可能导致未定义行为，Rust 要求你明确承认这种潜在风险。
- 注意： 对于 STM32F4，EXTI 线 0-4 都有独立的向量，而 EXTI 5-9 和 10-15 是共享的。PC13 属于 EXTI15_10 向量。
loop { cortex_m::asm::wfi(); }:
- wfi (Wait For Interrupt)：这是一个 ARM 指令，让 CPU 进入低功耗睡眠模式，直到下一个中断发生时才被唤醒。这比简单的 loop {} 更省电，是中断驱动程序中的常见做法。
中断服务程序 (#[interrupt] fn EXTI15_10()):
- #[interrupt]: 宏，将此函数标记为中断处理程序，并将其名称与中断向量表中的 EXTI15_10 入口关联起来。
- cortex_m::interrupt::free(|cs| { ... });: 进入临界区，保证中断处理程序中的代码是原子执行的，不会被其他中断打断。
- button_pin.check_interrupt(): 检查当前中断是否是由 button_pin 触发的（因为 EXTI15_10 可能会处理多个引脚的中断）。
- button_pin.clear_interrupt_pending_bit();: 极其重要！ 每次中断发生后，你必须清除该中断的挂起位（Pending Bit）。如果不清除，中断控制器会认为中断仍然是活跃的，并会立即再次触发中断，导致程序卡死在 ISR 中。
- led_pin.get_state() == PinState::High: 读取 LED 当前状态，然后切换。

11.4 构建、烧录和运行

保存 src/main.rs 文件，在项目根目录下，运行：

Bash

cargo build --release

如果编译成功，则通过 probe-run 烧录并运行：

Bash

cargo run --release

观察结果： 你的开发板上的绿色 LED 应该最初是熄灭的。当你按下用户按钮 (通常是蓝色按钮) 时，LED 就会切换状态。再按一次，再次切换。

恭喜你！

你已经成功地在 Rust 嵌入式程序中实现了中断处理，并用一个按钮来控制 LED 的状态！这比简单的 LED 闪烁更进了一步，因为它展示了如何让微控制器响应外部世界的事件。

下一步可以尝试：

调试中断： 使用 VS Code 的调试器，在 EXTI15_10 中断函数中设置断点，观察中断如何被触发，以及程序如何进入和退出 ISR。
添加防抖（Debouncing）： 机械按钮在按下和松开时会产生短暂的电压抖动（弹跳），这会导致一次按键被识别为多次中断。在实际应用中，你需要实现软件防抖（例如，在检测到第一次按下后，短暂地忽略后续的相同中断，或者使用定时器来确认按键状态稳定）。这是嵌入式开发中的一个常见挑战。
探索其他中断源： 尝试配置定时器中断，让 LED 自动闪烁，而无需在 main 循环中使用 delay。

在后续的教程中，我们将探讨更高级的主题，例如定时器、串行通信 (UART/SPI/I2C) 或更复杂的外设驱动。

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http://www.xdnf.cn/news/16218.html