Guessing Game на STM32 c использованием Rust

Cегодня редко встретишь разработчика, который хоть раз бы не слышал о Rust. После долгого хайпа и зародившегося мема RIIR (rewrite it in Rust - перепиши это на Rust) ажиотаж вокруг языка как будто бы поутих. Но оказалось, все и вправду по-тихому переписывается на Rust (если мой дебют не утонет в минусах, постараюсь написать статью-исследование на тему, где уже Rust надежно поселился в системе).

Первое, что меня впечатлило - это статья, что вся инфраструктура Cursor написана на Rust в целях экстремальной производительности, и языкс этой задачей, как видно, прекрасно справляется. Второе, что и сподвигло не только читать о Rust, но и начать на нем писать, — это, конечно же, дефицит комлектующих. «640 КБ на самом деле хватит всем» и интерес пал на братьев наших меньших — микроконтроллеров. Вот где действительно можно прочувствовать всю необходимость оптимизации.

Конечно, знакомство с Rust, как и у всех, началось с классики — Rust boo k ^[1] для новичков и Embedded Rust ^[2] для желающих окунуться вразработку встроенных систем. В Rust Book новичкам предлагается написать простую программу Guessing Game — приложение, которое загадывает число, а «игрок» должен попытаться его угадать.

Но просто читать не так интересно как набивать свои собственные шишки, поэтому, вооружившись книгами, документацией, все еще живым StackOverflow и Gemini в качестве ментора, я решила объединить эти два мира и сделать Guessing Game на STM32.

Далее хочу предложить небольшой гайд (или просто объяснение кода) из того, в чем удалось разобраться.

Комплектующие

Первое, что нужно для реализации идеи, конечно, же сам микроконтроллер. В моем случае это STM32L476RG (Nucleo) ^[3].

Второе - нам нужен экран, куда мы будем выводить информацию. Еще со времен бловства с Ардуино у меня осталась целая коробка разных приблуд, в том числе и LCD с I2C адаптером ^[4]. Он и был выбран в качестве основного дисплея.

И последнее - возможность взаимодействовать с программой. Из того же набора я взяла IR receiver ^[5] и "Car MP3 ^[6]" пульт.

Дополнительно потребуется breadboard (Макетные платы для монтажа в гнёзда ^[7]) для удобного соединения IR receiver (и несколько джамперов для соединений). В моем случае борда также была в наборе Ардуино.

Подключение STM32

Для моей платы был нужен кабель USD A-mini B.

Подключаем плату черезUSB к компьютеру (не забываем, что платы чувствительны к статике, предварительно «заземляемся» об что‑то чтобы не разрядиться на плату). Я использую Linux Ubuntu, потому могу расписать алгоритм действий для этой ОС. Для других ОС алгоритм может отличаться.

Проверяем видит ли компьютер подключенную плату, для этого пишем в консоли: lsusb | grep STM. Должно быть видно что-то типо "STMicroelectronics ST-LINK/V2.1".

Устанавливаем инструмент для работы с STM32 и обновляем правила для работы с USB:

sudo apt update
sudo apt install stlink-tools
sudo udevadm control --reload-rules
sudo udevadm trigger

Быстро проверяем работает ли плата:
echo "test" > test
st-flash write test 0x8000000

Находим LD1 и LD3 на плате и смотрим за их поведением. LD3 должен гореть красным, а LD1 либо гореть красным, либо мигать пока в микроконтроллер записывается программа.

Затем отключаем плату от компьютера и переходим к подключению пинов.

Подключение LCD c адаптером I2C

Здесь имеется 4 пина: SDA (перенос данных), SCL (пин синхронизации), VCC (питание) и GND (заземление).

На STM32, как правило, пины хорошо подписаны, потому ищем такие же пины на плате: SCL/D15/PB9, SDA/D15/PB8, +3V3 и GND. Соединяем между собой:

• SDA дисплея c SDA на STM32

• SCL с SCL

• VCC с +3V3

• GND c GND

Подключение IR приемника

IR приемник обычно выглядит как светодиод, но черного цвета и в корпусе. Смотрим на его "лицевую сторону". Самый левый пин будет пином выхода данных, средний - GND и правый - VCC. Подключаем левый пин к PA0 на STM32 (он может еще называться A0). Средний - к GND на плате и VCC - к +3V3. Вот тут может понадобиться breadboard, чтобы использовать общий +3V3.

Код на Rust

Репозиторий ^[8].

Для дальнейшей работы должен быть установлен Rust и Cargo (если нет - следуйте официальному гайду для вашей ОС тут ^[9]).

Первым делом мы должны обозначить build target для правильной компиляции для нашего микроконтроллера, для этого пишем в консоль rustup target add thumbv7em-none-eabihf

Что важно знать - мы работаем без std и привычного main.

В качестве основного драйвера системы я использовала Embassy ^[10] как асинхронный и энергоэффективный фреймворк. Возможно это и оверкилл для моей программы, но хотелось разобраться в чем то еще дополнительном по мере реализации идеи. К тому же спользование Embassy освобождает от необходимости создавать файл memory.x с указанием параметров flash и ram памяти, так как после указания в Cargo.toml файле для зависимости embassy-stm32 в features "memory-x" и своей STM32 платы (stm32l476rg) фреймворк сам создает эту информацию "под капотом".

main.rs для встроенный систем начинается со строк:
#![no_std]
#![no_main]

Что происходит в main:

• инициализации периферии STM32 c конфигурацией внутренних часов, соответсвующих циклу приема-передачи IR приемника и пульта "Car MP3" (поддерживает протокол NEC), т.к. для корректного декодирования сигнала с пульта нужны корректные циклы отправки-приема сигнала с конкретными паузами. Любой рассинхрон или задержка сигнала приводит к ошибкам декордирования

• инициализация модуля дисплея

• инициализация модуля инфракрасного приемника

• создание асинхронной задачи для декодирования полученного с пульта сигнала

• запуск игры

• отлов ответа "игрока" и отображения статуса игры на дисплее (запущенное в цикле)

• использование Channel c мьютексом для передачи данных между командой с пульта и циклом игры (для получения и сравнения ответа от "игрока")

Далее пройдемся по файлам:

• GameInput представляет собой простой enum поддерживаемого игрой ввода

• Game - модуль игры, основа которого создавать случайное число и проверять статус игры

• LCD - модуль инициализации hd44780 драйвера и функции взаимодействия с экраном - стирать данные, писать в первую строку, писать во вторую строку

• RC - инициализация инфракрасного приемника и маппинг команд с пульта (предварительно цифровой код каждой кнопки был вручную отловлен с помощью дебага). Самая сложная функция здесь — декодирование сигнала. Используются расчеты delta time для процесса декодирования и сравнение время нажатия кнопки с некоторым временным промежутком относительно последнего нажатия для предотвращения «залипания» кнопки.

Отдельного внимания заслуживает файл .cargo/config.toml, где указывается как правильно запускать программу, с какими флагами и для какой платформы, что позволяет в дальнейшем запускать программу просто командой cargo run.

Запуск игры

• клонируем репозиторий и перемещаемся в корневую папку проекта в терминале

• подключаем плату через USB

• прогоняем cargo run в терминале

• смотрим на LCD, где должно отобразиться «Guess 1 to 100». Если дисплей горит, но ничего не показывает, возможно необходимо подкрутить отверткой потенциометр сзади дисплея пока не станут видны буквы.

• жмем кнопки 0–9 на пульте, подбирая число. Отправить — кнопка >>|, стереть одну цифру — кнопка |<<, перезапустить игру — кнопка >||.

Я новичок в Rust и Embedded и осознаю, что для более опытных разработчиков встроенных систем недочеты будут резать глаз. Надеюсь на конструктивные замечания в комментариях, а также на то, что мой краткий гайд/обзор окажется полезным для таких же новичков как и я, чтобы вдохновиться на свои проекты на Rust и Embedded.