專家在線
引言
2023年3月7日，英飛凌宣布其32位微控制器AURIX™系列、TRAVEO™ T2G系列 和 PSoC™ MCU 系列支持 Rust語言，英飛凌成為全球領先正式支持 Rust 的半導體公司。
那麼什麼是 Rust，為什麼要關注它？在本系列博文中，我們將探討 Rust 語言及其在嵌入式系統開發中的潛力，以及英飛凌為創建嵌入式Rust 生態系統所做的努力。
英飛凌 Isaac
RUST 誕生背景
隨著軟體功能的日趨強大，軟體開發工作量隨之劇增，軟體開發團隊也不斷嘗試改進軟體的開發方法，旨在保證軟體功能，質量的情況下，減少成本，加快開發速度。
要實現上述目標，關鍵在於工作量——在軟體開發中儘可能減少工作量。
軟體開發相關的工作量包括功能需求定義，功能需求的實現和測試，非功能需求，以及修復開發過程中引入的錯誤的工作量。
站在軟體開發者的角度，在實現軟體完整功能的情況下，如何減少開發的總工作量，唯一能夠減少的部分就是用於修正錯誤的工作量。
對軟體開發而言，一旦發現錯誤，就必須加以修正，以保證軟體產品質量。因此，要在不影響產品質量的前提下減少工作量，唯一的解決辦法就是防止開發過程中引入軟體錯誤。
在已知的軟體錯誤中，內存安全是軟體行業中最常見的錯誤類別[1][2]。然而，嵌入式軟體行業的標準語言 C 和 C++ 是非內存安全編程語言，這意味著嵌入式系統很容易出現這類錯誤。
減少這類錯誤的方法之一是在軟體測試、審查和驗證方面投入人力物力，而另一種思路是用內存安全語言取代現有語言[3]。
雖然許多內存安全語言（如 Python、Java）已在軟體行業得到廣泛應用，但它們並不適合嵌入式系統。這是因為嵌入式系統對占用空間、堆棧使用和性能有嚴格的限制（這是C和C++的優勢）。
Rust就是在這樣的背景下誕生的，它同時實現了高效性和內存安全。
Rust 是什麼
Rust語言在2006年作為 Mozilla 員工 Graydon Hoare 的私人項目出現，而 Mozilla 於 2009 年開始贊助這個項目。第一個有版本號的 Rust 編譯器於2012 年 1 月發布。Rust 1.0 是第一個穩定版本，於 2015年5月15日發布 [4] 。
Figure 1. Rust Logo
Rust是一種在科技界大受歡迎的語言，Rust已經連續七年（2016，2017，2018，2019，2020, 2021, 2022）在Stack Overflow開發者調查的“最受喜愛編程語言”評選項目中折取桂冠[5]。
微軟用Rust重寫它的一些核心windowns庫，在 Android 13 中，21% 的新原生代碼使用了 Rust，此外，除 C 語言外，Rust 是唯一一種支持編寫 Linux 內核組件的語言，並被廣泛用於後端軟體、基礎設施和微服務。
Figure 2. rust-gentle-intro [6]
Rust使用了包含特定規則的“所有權”機制來管理內存，允許編譯器在編譯過程中執行檢查工作，而不會產生任何的運行時開銷。Rust中的每一個值都有一個對應的變量作為它的所有者；在同一時間內，值有且僅有一個所有者；當所有者離開自己的作用域時，它持有的值就會被釋放掉。
Rust使用“借用規則”實現對值進行可變和不可變引用：一個值可以有一個不可變引用或多個可變引用，但不能同時有兩個引用。編譯器中一個名為“借用檢查器”的特定部分會對此進行檢查。
Rust中的生命周期規則：Rust的每個引用都有自己的生命周期，它對應著引用保持有效性的作用域。生命周期最主要的目標在於避免懸垂引用，進而避免程序引用到非預期的數據。[7] [8]
Cargo 是 Rust 的軟體包管理器[9]，軟體包被稱為板條箱（Crate），cargo 有一個命令：cargo build，它能自動解決項目依賴關係。另外，使用 cargo test 命令能觸發單元測試，使用 cargo doc 命令還能生成文檔網頁。cargo 的文檔列出了 30 多條不同的命令，用於支持軟體包處理、構建文檔和測試。此外，cargo 還可用於安裝其他 Rust 二進制文件，如工具 svd2rust。
嵌入式系統中的 Rust
Figure 3. Embedded Rust Architecture
Embedded Rust 的結構可以分為上述5層，如上圖所示，從下往上的順序，最底層是MCU硬體層，有各個資源，外設，由不同的晶片決定；第2層是PAC，可以理解為晶片的頭文件，裡面是各個寄存器的信息；第3層是在PAC的基礎上對寄存器進行操作一些調度函數，裡面對寄存器進行直接操作；第4層是硬體抽象層，這一層的意義是從晶片強相關的驅動函數上抽象出來，提供一個通用接口，這個通用接口由最上層的軟體驅動層、軟體應用層去調用，實現對晶片資源的調度。
在Embedded Rust中，使用svd2rust工具將晶片資源的描述文件SVD文件轉化為PAC，該接口具有良好的可讀性，便於審查和維護。此外，它還能防止出現錯誤，因為如果設置的值對該欄位無效，代碼將無法編譯。
RUST 與 C 語言的關係
Rust對硬體的內存需求，堆棧使用，運行效率可以和C相媲美，具體的細節差異會和編譯優化等級，應用等有些許差異。此外，Rust有一個令人振奮的點，它可以和C語言共同使用。
Rust和C代碼間的互用性始終取決於兩種語言間的數據轉換。為了實現互用性，在stdlib中，有兩個專用模塊，叫做std::ffi和std::os::raw 。
std::ffi提供了一些工具去轉換更複雜的類型，比如Strings，將&str和String映射成更容易和安全處理的C類型。
std::os::raw處理底層的基本類型，這些類型可以被編譯器隱式地轉換，因為Rust和C之間的內存布局足夠相似或相同[10]。
Rust 是一種現代系統編程語言，可用於網絡應用程序和裸機嵌入式系統。不過Rust的生態和函數庫資源等比較有限，而和C之間的互通性可以讓Rust更加便捷的應用到現有的軟體中，更快的投入使用。
因此，我們將長期生活在 Rust 和 C 語言的混合環境中。儘管 Rust 聲稱內存安全（這一點已經得到證實），但是Rust 和 C 代碼的結合可能會導致安全的 Rust 生成的程序被不安全的 C 實現所違反的情況。為了確保 Rust 的安全性，有必要在 C 和 Rust 之間找到一個合理的分界點。
儘管如此，事實證明 Rust 是在嵌入式系統中替代 C 和 C++ 的合適候選語言，尤其是在新代碼開發方面。除內存安全外，Rust 語言的其他方面，如強大的類型系統和錯誤處理，也為 Rust 帶來了卓越的可讀性和可維護性。這提高了防錯能力，從而在不增加開發階段額外成本的情況下實現更安全的代碼。
英飛凌產品支持Embedded Rust
軟體安全對汽車市場至關重要，Rust 編程語言內置內存安全軟體開發支持，是設計關鍵任務汽車軟體的重要推動力。英飛凌科技公司為在嵌入式領域創建 Rust 生態系統邁出了第一步。首先推出的是市場領先的 AURIX™ TC3xx 和 TRAVEO™ T2G 汽車 MCU。TRAVEO™ 使用官方 Rust 工具鏈和 Arm Cortex-M 目標編譯器，而英飛凌的工具合作夥伴 HighTec EDV-Systeme 則為 AURIX™ 開發了專用 Rust 編譯器。
Figure 4. AURIX™ and TRAVEO™ T2G
HighTec Rust 編譯器專為 AURIX™ TC3xx 和 TC4x 微控制器量身定製，利用先進的開源 LLVM 技術，為具有安全、可靠、高性能和快速部署要求的應用提供全套 Rust 語言特性，包括內存安全、並發性和互操作性。
總結
在英飛凌的支持下， Rust 在嵌入式系統中的應用將變得更加廣泛，在與 Rust FOSS 社區合作的同時，規範 Rust 在行業中的使用。最後，Rust 的日益普及令人印象深刻，而英飛凌的嵌入式 Rust 生態系統無疑將幫助 Rust 在業界得到更廣泛的應用。我們將進一步挖掘這一創新語言的潛力，並見證嵌入式 Rust 生態系統的發展。今後，我們將推出更多博文探討 Rust，分享更多Rust for MCU 的精彩信息。
REFERENCES
[1]G. Thomas, “A proactive approach to more secure code”, available at https://msrc.microsoft.com/blog/2019/07/a-proactive-approach-to-more-secure-code/, accessed on 26.02.2023 13:38 CST
[2]J. Blessing, M. A. Specter, D. J. Weitzner, “You Really Shouldn't Roll Your Own Crypto: An Empirical Study of Vulnerabilities in Cryptographic Libraries”, arXiv, 2021
[3]Tiago Manczak, “Evaluation of Rust for Embedded Security Systems” Embedded World 2023
[4]https://blog.csdn.net/weixin_50964512/article/details/130138973 accessed on 26.01.2024 14:20 CST.
[5]https://survey.stackoverflow.co/2022/#section-most-loved-dreaded-and-wanted-programming-scripting-and-markup-languages accessed on 26.01.2024 14:20 CST.
[6]https://stevedonovan.github.io/rust-gentle-intro/ accessed on 26.01.2024 14:20 CST.
[7]https://doc.rust-lang.org/book/ch04-00-understanding-ownership.html accessed on 26.01.2024 14:20 CST.
[8]https://doc.rust-lang.org/book/ch10-03-lifetime-syntax.html accessed on 28.01.2024 15:20 CST.
[9]https://doc.rust-lang.org/cargo/index.html accessed on 26.01.2024 14:20 CST.
[10]https://xxchang.github.io/book/interoperability/index.html 29.01.2024 15:20 CST.
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