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使用Rust on Arm構建安全可靠的軟件

2024-12-17

Rust編程語言因其獨特的安全性、性能和生產力組合而受到關注。Rust旨在消除常見的編程負擔并處理編譯時use-after-free錯誤等問題。值得注意的是，它在不使用垃圾回收器的情況下實現了這一點，生成的機器代碼的性能可與C和C++相媲美。在這個由三部分組成的博客系列中，Ferrous Systems 的高級工程師兼培訓師Jonathan Pallant概述了Arm架構的Rust支持，包括對 Ferrocene的介紹，Ferrocene 是用于任務關鍵型和安全關鍵型應用的合格Rust工具鏈。對于任何考慮將Rust用于下一個基于Arm的項目的人來說，這個概述都是必不可少的。本系列探討了從廣泛的Arm領域中挑選的三個示例，研究了在裸機、RTOS和Rich OS應用程序上使用Rust的細節。此外，它還討論了Ruston Arm的現狀，重點介紹了Rust項目和第三方提供的功能和庫，無論是否有商業支持。圖1：編寫Rust應用程序的方法第1部分：裸機系統我們將探討的第一個領域是運行純Rust編寫的裸機應用的微控制器案例。在第二部分中，我們將在其基礎上加入一個已有的用C或C++編寫的實時操作系統（RTOS）。這里使用的術語“微控制器”指的是帶有集成SRAM（可能還有Flash）的小型片上系統（SoC）。在Arm架構上，這些設備在AArch32模式下執行T32指令集，但有些系統可能會使用A32指令集。這里討論的許多“裸機”問題同樣適用于較大應用處理器上的低級代碼，比如安全啟動固件或虛擬機監視器。然而，本節將著眼于運行在nRF52-DK開發套件上的NordicnRF52840微控制器。這款流行的微控制器包含一個ArmCortex-M4處理器，以及256KiB的SRAM和1MiB的Flash。針對ArmCortex-M的裸機Rust固件可以依賴由Rust嵌入式設備工作組提供的啟動代碼，這些代碼封裝在一個名為cortex-m-rt的crate中。這個crate允許固件完全用Rust編寫——所需的少量內聯匯編（例如，在main之前初始化數據段）被捆綁在cortex-m-rt內部，它只需帶你走到Rust的fn main()函數處即可。當系統啟動并運行Rust代碼時，有一個豐富的驅動程序生態系統可供選擇。例如，nrf-hal項目為我們的nRF52840中的每個外設提供了驅動程序。實際上，許多基于Arm的微控制器都有一套出色的開源驅動程序，包括來自NordicSemi、STMicro和RaspberryPi的許多驅動。像embedded-hal這樣的跨平臺抽象讓這些驅動程序可以用標準化的方式描述外設，使用戶能夠構建可重用的組件和庫，這些組件和庫可以在任何合適的實現上工作，即使跨越不同的芯片制造商。在2021年最近的芯片短缺期間，許多使用Rust的嵌入式系統開發者發現這一點非常有用，因為根據可用性更換微控制器變得容易得多。如果您以前沒有見過裸機Rust代碼，圖2提供了一個針對nRF52840的完整“blinky”示例。圖2：用于nRF52-DK的最小但完整的Rust“blinky”，使用提供UART驅動程序，GPIO等的開源板支持包。如示例所示，Rust允許開發豐富的API來描述各種硬件接口，如LED和UART。然而，Rust編譯器內置的強大優化器產生的機器代碼與C編譯器產生的機器代碼大致相似。圖1中顯示的Led類型（支持nrf52.leds.led_2值）在運行時不占用內存。它是所謂的零大小類型。這意味著系統類型可用于將安全性和穩健性引入API，而絕對沒有運行時開銷。當然，對于許多應用程序來說，這已經足夠了，但開發人員不僅限于使用Rust在微控制器上編寫基本的事件循環和中斷例程?；贏rmCortex-M的微控制器可以運行AsyncRust，使用純Rust編寫的小型輕量級異步執行器，例如embassy。這通常是啟動完整RTOS的一種高效且經濟的替代方案，尤其是當您只需要同時執行少量任務時。但有時，完整的RTOS才是正確的解決方案。在第2部分中，我們將探討如何將Rust與現有的C API集成，包括使用Free RTOS和Eclipse ThreadX等RTOS的實際示例。圖3:nRF52840 DK（來源：Nordic Semiconductor）第二部分：Arm上高級Rust與RTOS的集成在本博客系列的第1部分中，我們探討了如何使用Rust在Arm微控制器上構建裸機應用程序。在第2部分中，我們將重點介紹如何將Rust與微控制器和中型微處理器上的實時操作系統(RTOS)進行集成。大多數現有的RTOS都是用C編寫的，因此在其上運行的任何Rust程序都需要與現有的CAPI交互。RTOS的示例包括但不限于Eclipse ThreadX、Free RTOS或Zephyr。在Arm上，這些系統通常在AArch32模式下在Cortex-R52等處理器上執行A32指令；盡管這里的概念同樣適用于Cortex-M4、Cortex-M55或類似產品。圖1：編寫Rust應用程序的方法Rust支持導入和導出兼容C的函數、原始指針、易失性內存訪問以及內聯匯編，以實現低級別的硬件交互。一個完整的演示超出了博客文章的范圍，因此FerrousSystems發布了一個開源示例應用，該應用使用Eclipse ThreadXRTOS，并針對Arm Cortex-R5在Arm Versatile ApplicationBoard上（以及Arm PL011UART、Arm PL190向量中斷控制器和Arm SP804雙定時器）。這個例子將ThreadX編譯為靜態C庫，然后將其鏈接到由Rust和Arm匯編混合編寫的二進制文件中。此示例可以使用Ferrocene或標準Rust工具鏈進行編譯。就像第一部分提到的裸機微控制器一樣，在這些實時系統上，通常無法使用完整的Rust標準庫。相反，用戶被限制在一個更為基本的子集libcore中。雖然不是不可能做到——對于FreeRTOS和NuttX等存在Rust標準庫移植版，但這些系統通常非常關注資源分配和性能，因此創建高性能綁定到所需的RTOS部分比嘗試將RTOS抽象到更適合應用處理器API的做法更有意義。這種方法對功能安全系統也有利，因為在Rust中認證一個小的自定義RTOS接口比認證整個Rust標準庫更實際。在ThreadX的例子中，匯編語言啟動代碼設置堆棧指針并啟用浮點單元（FPU）后，執行權被交給用Rust編寫的main函數。Rust代碼初始化外設驅動程序，然后將執行權交給ThreadX調度器。ThreadX設置的一部分涉及通過一個名為tx_application_define的函數回調到Rust固件中，該函數是用Rust編寫的，但聲明為具有“C兼容”的接口。此函數用于為任務堆棧創建字節池和生成各種任務。圖2展示了如何輕松地用Rust調用CAPI的一個片段。圖2：使用Rust創建ThreadX字節池的示例。threadx_sys crate包含基于RTOS的C頭文件自動生成的綁定。threadx_syscrate包含基于RTOSC頭文件自動生成的綁定。代替手動轉換ThreadX頭文件為Rust，示例使用bindgen工具自動為ThreadX生成Rust綁定。這個最初由Mozilla開發并由Ferrous Systems支持的工具幾乎可以應用于任何帶有標準C頭文件的庫，例如ThreadX提供的庫。示例使用來自bindgen的自動生成綁定，允許Rust代碼調用任何ThreadX函數，而RTOS可以回調到任何標記為extern"C"鏈接的Rust函數。 ThreadX源代碼必須使用標準C編譯器編譯，這在示例中是自動處理的。然后告訴Rust將生成的libthreadx.a鏈接到編譯后的Rust代碼，以生成最終的二進制文件。在我們的示例中，啟動代碼是用Rust編寫的，但你可能更傾向于讓RTOS從C處理啟動和驅動初始化，只將任務用Rust編寫?；蛘撸憧梢允褂猛耆肦ust編寫的RTOS，如OxidOS。一般步驟保持不變：將你需要的庫代碼編譯成靜態庫，然后使用這些靜態庫編譯和鏈接二進制文件。無論是RTOS作為庫還是作為二進制文件，變化不大，只是編譯順序有所不同。請參閱第3部分，我們將探討如何在Arm處理器上使用Rust和Linux、Windows和macOS等成熟的操作系統。圖3：實時操作系統通常用于工業和汽車應用程序。第三部分，我們將探索在Arm處理器上使用Rust與完整操作系統如Linux、Windows和macOS的應用。在本博客系列的第一部分中，我們探討了使用Rust在Arm微控制器上構建裸機應用程序。第二部分深入研究了將Rust與實時操作系統（RTOS）集成在微控制器和中型微處理器上的應用?，F在，在第三部分中，我們將注意力轉向使用Rust與完整操作系統如Linux、Windows、macOS、QNX或Android在Arm處理器上的應用。在Arm架構上，這些系統通常執行A64指令，在AArch64模式下運行，例如在RaspberryPi5中找到的Cortex-A76，或者最新AWSGraviton云服務器中的NeoverseV2。Rust還為32位Arm系統提供了良好的支持，例如Cortex-A8和Arm11，甚至可以追溯到1990年代的Arm7。圖1展示了編寫Rust應用程序的方法。圖1：編寫Rust應用程序的方法在應用處理器上，你通常可以訪問完整的Rust標準庫。這個庫抽象了許多特定于操作系統的接口，提供了一致的API用于線程、文件系統、網絡等，無論操作系統是什么。這意味著開發者可以使用他們喜歡的開發平臺，并且可以確信相同的源代碼可以在比如基于Linux的生產系統上編譯。為了展示Rust的高層次表達能力，圖2顯示了一個示例Rust應用程序。圖2：在Rust中處理文本文件圖1中的代碼讀取一個UTF-8編碼的文本文件到堆分配的String中，如果文件無法打開則干凈地退出。隨后逐行處理它變得非常簡單，這要歸功于內置的迭代器支持——這個例子查找以"MESSAGE:"開頭的行并打印匹配行的其余部分。這種高層API的感覺像Java或C#，但具有C應用程序的性能——這是Rust的獨特優勢。開箱即用的交叉編譯Rust工具鏈不僅僅包括編譯器；它還包括一個結合了構建系統和包管理器的工具叫做cargo。這個工具大大簡化了構建Rust應用程序的過程——通常只需要一條簡單的cargobuild--release命令就可以構建最復雜的項目。作為構建的一部分，cargo可以從第三方包倉庫（如crates.io）下載依賴項，解析語義版本，并為你的項目構建一個完整的依賴樹——包括重要的開源許可信息。 Rust編譯器本身也是一個開箱即用的交叉編譯器。這意味著不像某些C編譯器，你不需要安裝特定版本的編譯器來適應任何給定的主機或目標組合。相反，你可以使用rustup（Rust工具鏈管理器），下載并安裝適合你所選目標的預編譯Rust標準庫，然后就可以開始工作了。圖3展示了如何使用rustup添加對新目標的支持，例如針對Armv7架構的32位ArmLinux的交叉編譯。圖3：使用rust up添加對新目標的支持Rust項目將其支持的目標分為幾個級別。一級是最高級別，這里的任何目標都會在每次Rust發布時進行編譯和測試。這一級包括64位ArmLinux，以及x86Linux、Windows和macOS。二級目標會進行編譯，但不會運行測試套件。這一級包括上面提到的Armv7Linux示例。三級目標僅提供盡力而為的支持，這里是更奇特的目標所在——例如NintendoSwitch上的Rust，或者LinuxonArm7上的Rust。目前，三級目標僅支持使用‘nightly’Rust工具鏈，而不支持穩定版本。值得注意的是，Rust就像C和C++一樣，需要一個適合你目標平臺的鏈接器。對于許多目標，捆綁的LLVM鏈接器‘lld’可以工作，但在某些情況下，你可能需要安裝特定的鏈接器。對于那些需要超出標準Rust層級系統提供的支持的人來說，Ferrocene提供了解決方案。Ferrocene是商業支持的Rust工具鏈下游產品，由Ferrous Systems制作。Arm和Ferrous Systems緊密合作，使得特定硬件目標能夠在Ferrocene中可用，這些目標在上游Rust項目中可能只作為二級或三級目標。Ferrocene目標通過了Rust測試套件，并且其中一部分已經通過TüVSüd認證，適用于ISO26262ASIL-D和IEC61508SIL-4，還有更多的行業特定認證正在計劃中。掌握整個Arm譜系上的Rust本博客系列探討了從廣泛的Arm設備譜系中選取的三個例子，并深入研究了在這個平臺上使用Rust的具體情況。我們看到，無論是要在現有的完全成熟的操作系統上構建，還是與實時操作系統協作，或者是裸機開發，Rust都能幫助開發者構建高性能、安全和可靠的軟件。它提供的特性使開發者能夠比使用傳統語言更快地進入生產階段。類型檢查允許構造難以誤用的API，這意味著你更有可能正確使用它們——節省寶貴的調試時間。借用檢查意味著緩沖區溢出和釋放后使用錯誤在“安全”Rust中實際上是不可能的，而你只需要在我們的項目可能用來與硬件或操作系統交互的那一小部分“不安全”Rust代碼中檢查這些問題。來自使用LLVM優化的結果是，無論是在應用處理器、實時系統還是微控制器上，Rust生成的二進制文件在性能上都與C和C++相當。如果你正在尋找帶有商業支持和可選功能安全認證的Rust編譯器，請查看FerrousSystems提供的Ferrocene。Ferrocene當前提供經過ISO26262ASIL-D和IEC61508SIL-4認證的AArch64裸機目標編譯器，同時面向32位ArmCortex-R和Cortex-M目標的資格認證也正在進行中。圖4：樹莓派5 https://www.raspberrypi.com/documentation/computers/raspberry-pi.html本文翻譯自“community.arm.com”+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++關于億道電子上海億道電子技術有限公司是國內資深的研發工具軟件提供商，公司成立于2009年，面向中國廣大的制造業客戶提供研發、設計、管理過程中使用的各種軟件開發工具，致力于幫助客戶提高研發管理效率、縮短產品設計周期，提升產品可靠性。十多年來，先后與ARM、Altium、Ansys、QT、Green Hills、Minitab、EPLAN、QA Systems、OpenText、Visu-IT、HighTec、PLS、Ashling、MSC Software、Autodesk、Source Insight、IncrediBuild、Lauterbach、Adobe、Testplant、TeamEDA等多家全球知名公司建立戰略合作伙伴關系，并作為他們在中國區的主要分銷合作伙伴服務了數千家中國本土客戶，為客戶提供從芯片級開發工具、EDA設計工具、軟件編譯以及測試工具、結構設計工具、仿真工具、電氣設計工具、以及嵌入式GUI工具等等。億道電子憑借多年的經驗積累，真正的幫助客戶實現了讓研發更簡單、更可靠、更高效的目標。歡迎關注“億道電子”公眾號了解更多研發工具軟件知識

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Altium Designer 25.0.2 版本發布，新功能說明

2024-11-25

在 Altium Designer 25中的新特性免費試用！如果您對我們展示的內容感興趣，但目前還不是我們的用戶，不妨嘗試一下Altium Designer吧！只需點擊此處，填寫一份簡單的表格，備注“AD試用”，即可獲得為期15天的免費試用機會。在這期間，您可以全面、自由地體驗Altium Designer所有功能，感受這款PCB設計軟件為何受到眾多工程師和設計師的喜愛。Altium Designer 25.0Altium Designer 25.0發行說明PCB CoDesign協同設計改進新增撤銷合并更改的功能在 PCB CoDesign 協同設計面板中添加了【Undo Merge】撤銷合并控件。當設計完成合并后，此控件會出現在面板中，允許您在必要時撤銷合并結果。約束管理器改進更新了指令導入流程從指令導入到Constraint Manager的功能已被增加進【Refresh】刷新功能中。當在Constraint Manager中點擊【Refresh】按鈕時，會打開“Refresh Constraint Manager”對話框,包含了規則指令導入的概要。通過點擊對話框中的【Import】按鈕來完成導入的過程。檢測網絡類、差分對及差分對類中的變更現在可以檢測到通過指令導入的網絡類、差分對及差分對類中的變更（新增或移除的元素），并且可以同步的不一致情況（即原理圖與約束管理器之間的不一致），會在相應對象名稱左側顯示橙色提示條。導線鍵合改進增強了裸片焊盤在重疊三維主體上的放置功能裸片焊盤現在會按照高度綁定到其所在的三維主體，而不是裸片焊盤位置處的最高三維主體上。當在同一位置上存在多個三維主體時（例如，當PCB被外殼覆蓋時），此項功能將確保裸片焊盤能夠留在正確的三維主體表面上。如果裸片焊盤放置位置處存在多個三維主體，則您現在可以從重疊主體集內選定需要放置焊盤的三維主體。將裸片焊盤放置在存在多個三維主體的重疊位置。在此情況下，會出現一個選定彈出對話框，以確保您能夠選擇需要綁定焊盤的三維主體。在三維模式下，您會看到裸片焊盤位于所選的三維主體表面上。增強了導線鍵合表報表中的排序功能增強了導線鍵合表報表中的排序功能。表內的入口現在將按照如下方式進行排序：首先，將列出始于元件基元的鍵合導線。此組內的入口將首先按照元件位號標識符的字母順序，然后按照焊盤位號標識符的字母順序進行排序。然后，將列出始于自由基元而終于元件基元的鍵合導線。此組內的入口將按照基元名稱和/或位號標識符的字母順序進行排序。最后，將列出起始于自由基元且終止于自由基元的鍵合導線。此組內的入口同樣將按照字母順序進行排序。多板設計改進支持外部外設/元件（開放測試階段）本次發布擴展了多板設計領域的功能，新增對非常規子PCB裝配體的外部外設/元件（即“非PCB”元件）的支持。例如，這些元件包括外部開關、傳感器以及其他現成的第三方電子模塊。多板原理圖文檔（*.MbsDoc）通過支持以下兩種新對象類型實現了這一功能：自定義部件（Custom Part）自定義部件是指類似于模塊的實體，可鏈接一個或多個庫元件的功能。通過主菜單的 Place ? Custom Part 命令或Active Bar的 Custom Part 命令添加到多板原理圖文檔中。系統會自動為每個鏈接的元件添加一個入口。自定義連接（Custom Connection）自定義連接支持通過從“Components”面板中拖放所需元件到圖紙上的空白區域，單個庫元件添加到多板原理圖文檔中。系統會自動為元件的每個引腳添加一個入口。請注意，您還可以為元件創建專門用于多板原理圖文檔的自定義符號。在引腳屬性的 Name 字段中添加逗號分隔的名稱后，可將多個引腳分組導入口中，從而以更少的入口創建視覺上更加簡潔的符號，使此類元件的連接更加簡便。編輯原理圖符號時，將多個以逗號分隔的名稱添加到引腳的 Name 字段中。當元件被添加到多板原理圖中的自定義部件上時，將為每個元件引腳創建一個入口，而不是為元件創建單一入口，并且將創建具有多個引腳的入口。當將元件作為自定義連接放置到多板原理圖中時，將創建具有多個引腳的入口。庫元件是指已連接Workspace和可用本地庫中提供的元件。完成放置/定義后，即可以使用線纜和線束連接等，將元件連接到更多設計中。其結果是，整個系統的所有元素均被考慮在內，并且其連接均會被正確記錄下來。其會在多板原理圖文檔的單一位置處提供了一個完整的‘系統圖’，以確保無需像先前那樣制作‘虛擬’PCB，即可實現此類功能，從而節省時間。在第一步實施中，通過自定義部件和/或自定義連接定義的鏈接元件既不會自動包含在整個產品/系統BOM中，亦不會在多板裝配體(*.MbaDoc)中顯示。該功能處于開放測試階段，且僅在Advanced Settings 對話框中啟用MBS.PlacePart和 MBS.UseGeometryMaker MBS.UseGeometryMaker選項時可用。向Draftsman文檔添加注釋增加了向Multi-board Draftsman文檔 (*.MbDwf) 添加注釋的功能。可以像在其他文檔類型(例如， Place 菜單、按鈕等）中一樣，使用控件添加注釋。線束設計改進更改計算導線長度您現在可以更改Layout Drawing(*.LdrDoc)上的計算導線長度。在Properties面板中輸入所需的Offset Length，或者在Length Type的下拉列表中選擇Manual ，然后手動定義所需的絕對長度。數據管理改進非Altium Designer項目的打開項目對話框功能增強在本次發布中，Open Project對話框功能得到了增強，從而能夠更好地支持將非Altium Designer項目(OrCAD, KiCad, and EAGLE項目)上傳至已連接Altium 365 Workspace中。對話框中的非Altium Designer項目入口現在隨附相應的圖標，并標有Web Viewer Only文本。當選定非Altium Designer項目入口時，該對話框的右側窗格內現在會顯示一條消息，提示本項目僅能在Web Viewer中使用對話框底部的新按鈕Open in Web Viewer打開。將變量參數傳播至已發布的裝配數據中當使用Project Releaser發布PCB項目時，針對項目變量定義的參數現在包含在裝配數據集的相應版本中?？梢允褂肊xplorer 面板瀏覽此類參數。在Classic View中查看項目時，可以在選定所需的裝配數據集版本后，切換至Parameters環節視圖選項卡，以查看變量參數。項目變量Default具有變量參數VariantLabel = A在Explorer 面板中查看此變量的裝配數據集版本時，此參數會顯示在Parameters 環節視圖選項卡上。+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++關于億道電子上海億道電子技術有限公司是國內資深的研發工具軟件提供商，公司成立于2009年，面向中國廣大的制造業客戶提供研發、設計、管理過程中使用的各種軟件開發工具，致力于幫助客戶提高研發管理效率、縮短產品設計周期，提升產品可靠性。十多年來，先后與ARM、Altium、Ansys、QT、Green Hills、Minitab、EPLAN、QA Systems、OpenText、Visu-IT、HighTec、PLS、Ashling、MSC Software、Autodesk、Source Insight、IncrediBuild、Lauterbach、Adobe、Testplant、TeamEDA等多家全球知名公司建立戰略合作伙伴關系，并作為他們在中國區的主要分銷合作伙伴服務了數千家中國本土客戶，為客戶提供從芯片級開發工具、EDA設計工具、軟件編譯以及測試工具、結構設計工具、仿真工具、電氣設計工具、以及嵌入式GUI工具等等。億道電子憑借多年的經驗積累，真正的幫助客戶實現了讓研發更簡單、更可靠、更高效的目標。歡迎關注“億道電子”公眾號了解更多研發工具軟件知識

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