Une Tanche

Rust sur mcu: Découverte

Fri, 06 Mar 2026 00:00:00 +0000

Intro

J’ai déjà pu expérimenter l’utilisation du langage rust et de son environnement dans le cadre du dev d’outil cli, mais pas encore pour de l’embarqué bare metal. Cet article va donc me servir de mémo quant à ces essais.

Pour ces tests, j’utiliserai une carte de dev ST nucleo stm32l031k6. Pour ce qui est de la toolchain rust, j’utilise la version 1.89.0. Vous pouvez retrouver le répertoire du projet ici.

Premièrement petit tour de la doc:

Système de recette

Première bonne surprise, cargo (l’utilitaire de construction rust), gère nativement la cross-compilation. Pour cela, on peut soit lui passer l’option --target avec le code triple de la cible. Soit créer un fichier .cargo/config.toml à la racine de notre projet, dans lequel on spécifie lui indique la cible.

Donc pour le stm32l032k6, on utilse soit:

cargo build --target thumbv6m-none-eabi
le fichier de config cargo avec:
```
[build]
target = thumbv6m-none-eabi
```
Ainsi lorsqu’on appellera cargo build il utilisera la cible spécifier dans le fichier de config

Description du matériel

Contrairement au C, st ne fournis pas de HAL ou de LL rust. En revanche, la communauté rust étant très active, on trouve des crates faisant un travail équivalent.

On distingue trois niveaux d’intégration

les crates cortex-m et cortex-m-rt réalisant l’abstraction des périphériques standard des coeur arm cortex-m
les crates de description matériel (PAC pour Peripherals Abstraction Crate). Ils gèrent le mapping des périphériques du microcontrôleur. Ils sont donc spécifique à la cible. ils nous permettent d’accéder aux registres de chaque périphérique par un ensemble de fonction/structure de données plutôt qu’en spécifiant des adresses mémoire.
Les crates d’abstraction matériel (HAL pour Hardware Abstraction Layer). Ils sont basés sur les PAC et offrent une interface haut niveau et standardisée pour configurer et intéragire avec les périphériques.

Dans cette première partie, nous n’utiliserons pas de HAL.

Les crates

Les crates est le nom donné en rust aux dépendances du projet. Elles sont la plupart du temps disponibles sur le site crates.io, mais on peut aussi spécifier des dépendances locales ou des répertoires git.

Pour utiliser une crate, il y a deux possibilités:

via cargo avec cargo add le_nom_du_crate Cargo va alors chercher le crate en question sur crates.io et s’il existe, il va ajouter la dépendance dans le fichier Cargo.toml et la télécharger dans le cache local.
En éditant le fichier Cargo.toml.

Dans le cas de notre mcu, il s’agit d’un coeur cortex M0+, nous allons donc utiliser les crates suivant:

cortex-m pour la description des périphériques liés au coeur arm.
cortex-m-rt pour la gestion de la compilation et de l’édition de liens.
panic-abort pour avoir une implémentation par défaut de la gestion des erreurs non recouvrable.
stm32l0 pour la description des périphériques du stm32l031.
stm32l0xx-hal pour la HAL (nous l’utiliserons dans un second temps).

Pour les crates cortex-m, stm32l0 nous devons spécifier des options pour pouvoir les utiliser.

Ce qui nous donne la liste de dépendance suivante:

[dependencies]
cortex-m-rt = "0.7.5"
panic-abort = "0.3.2"
cortex-m = { version = "0.7.7", features = ["critical-section-single-core"] }
stm32l0 = { version = "0.16.0", features = ["stm32l0x1", "rt"]}

Édition de liens

Le crate *cortex-m-rt fournis un script d’édition de liens par défaut. Il nous réclame simplement de créer un fichier memory.x à la racine du projet indiquant la configuration de la RAM et la FLASH. Pour ce qui est de la configuration de la table des vecteurs d’interruption, le crate cortex-m-rt offre un mécanisme permettant à l’utilisateur ou à d’autre crate d’insérer leur définition. Dans notre cas c’est le crate stm32l0 qui s’en charge via la feature rt.

En ce qui concerne la configuration mémoire, notre micro (stm32l031k6) dispose de 32ko de flash et 8ko de ram. On va donc créer un fichier memory.x contenant:

MEMORY
{
  RAM  (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 8K
  FLASH (rx) : ORIGIN = 0x8000000, LENGTH = 32K
}

Il ne nous reste plus qu’à éditer le fichier de config de cargo (.cargo/config.toml) pour ajouter un flag de compilation indiquant à rustc d’utiliser le script d’édition de liens du crate cortex-m-rt nommé link.x.

[build]
target = "thumbv6m-none-eabi"

# flag pour l'édition de lien
[target.thumbv6m-none-eabi]
rustflags = ["-C", "link-arg=-Tlink.x",]

Pour aller plus loin

Si on le souhaite, on peut aussi utiliser un script de liens personnel (doc).
Si on souhaite analyser le fichier elf avec objdump ce morceau de doc explicite les différentes sections.
script de liens par défaut: link.x

Un simple clignotement

Commençons par le hello world de l’embarqué: faire clignoter une led…

On commence par créer un dossier: mkdir rust_stm32l031 && cd rust_stm32l031.

Ensuite on initialise le projet avec cargo: cargo init --bin. Cette commande va créer les fichiers de config (Cargo.toml et Carlo.lock) ainsi qu’un répertoire src et le fichier main.rs.

Mise en place de la fonction main

Pour pouvoir compiler notre projet pour la cible stm32l0, on doit spécifier que le programme n’utilise pas la bibliothèque standard. Pour cela on utilise la directive: #![no_std]

On doit aussi indiquer au compilateur que l’on souhaite utiliser une fonction de démarrage custom (fonction qui initialise les variables et appelle la fonction main). En effet, notre main() sera appelée depuis la fonction Reset implémentée par cortex-m-rt. Pour ce faire on utilise la directive: #![no_main].

De son côté, le crate cortex-m-rt expose la directive #[entry] pour spécifier la fonction d’entrée.

Enfin, on doit indiquer au compilateur comment la programme doit réagir en cas de détection de comportement interdit (panic). Pour ce faire, le compilateur attend une fonction:

#[panic_handler]
fn panic( info: &PanicInfo ) -> !{}

Plutôt que de créer notre propre implémentation, on utilise le crate panic_abort afin qu’en cas d’erreur on déclenche un hardfault.

On va donc avoir un fichier main.rs qui ressemble à ça:

#![no_main]
#![no_std]

use cortex_m_rt::entry;
user panic_abort as _;

#[entry]
fn main() -> ! {
 loop{}
}

Voila vous pouvez maintenant compiler et flasher ce programme sur votre carte électronique. Ça n’a aucun intérêt puisque ce programme ne fait rien mais ça fonctionne!

configuration des périphériques

Nous avons mis en place notre chaîne de compilation, nous pouvons maintenant attaquer la configuration des périphériques. Pour cela, nous allons utiliser deux crates:

cortex-m pour l’accès aux périphériques arm, par exemple: systick, nvic …
stm32l0 pour l’accès aux périphériques stm32, par exemple: adc, gpio …

Les objectifs sont:

configurer l’horloge pour utiliser le HSI 16MHz comme source
configurer le GPIO B3 en sortie pour faire clignoter une led
configurer le Systick pour cadencer le clignotement de la led

Ce qui donne le fichier main.rs suivant:

#![no_std]
#![no_main]

use cortex_m::{Peripherals, delay};
use cortex_m_rt::entry;
use panic_abort as _;
use stm32l0::stm32l0x1;

#[entry]
fn main() -> ! {
    // acces aux périphériques
    let peripherals = stm32l0x1::Peripherals::take().unwrap();
    // on récupère le périphérique d'horloge et on configure le HSI
    let rcc = peripherals.RCC;
    rcc.apb2enr().write(|w| w.syscfgen().enabled());
    rcc.cr().write(|w| w.hsi16on().enabled());
    while rcc.cr().read().hsi16rdyf().bit_is_clear() {}
    rcc.cfgr().write(|w| w.sw().hsi16());

    // configuration du Systick pour une clock à 16 MHz et
    // utilisation de la structure delay de cortex-m
    let peripheral = Peripherals::take().unwrap();
    let mut delay = delay::Delay::new(peripheral.SYST, 16_000_000);

    // on active l'horloge pour le GPIOB
    rcc.iopenr().write(|w| w.iopben().enabled());

    // On configure le GPIOB3 en sortie push-pull
    let gpiob = peripherals.GPIOB;
    gpiob.moder().write(|w| w.mode3().output());

    loop {
        // on commence par lire l'état de la sortie via 'r' -> r.od3().bit()
        // On inverse la valeur à écrire par rapport à la valeur lu via '!'
        // et on écrit met à jour la sortie 'w' -> w.od3().bit(x)
        gpiob.odr().modify(|r, w| w.od3().bit(!r.od3().bit()));
        // attente de 500 ms
        delay.delay_ms(500);
    }
}

Et voilà un clignotement de led en bonne et due forme.

Linker scripts

Sun, 01 Dec 2024 00:00:00 +0000

Intro

Dans les grandes lignes, le linker script (fichier .ld) permet d’indiquer au programme “ld” comment le contenu des fichiers objet (.o) doit être assemblé pour créer le fichier ELF.

Dans le cas qui m’intéresse - les firmwares ciblant des microcontrôleurs - le fichier elf sera soit converti en fichier hexa ou binaire soit directement utilisé par openocd pour programmer le MCU.

Un exemple de linker script est disponible ici sample.ld.

Architecture du fichier .ld

Les fichiers .ld sont de simples fichiers texte. On peut y écrire des commentaires via la syntaxe /* mon commentaire */.

Pour indiquer à l’éditeur de liens comment agencer les objets en mémoire, nous avons à disposition quelques mots-clés (liste non exhaustive, je me contente ici des mots-clés qui me sont utiles):

MEMORY Déclare les zones mémoire utilisables, leurs adresses et leurs tailles.
SECTIONS Permet de déclarer les différentes sections, où les ranger et dans quel ordre.
. Le point n’est pas un mot-clé à proprement parler mais une variable spéciale. Elle enregistre la dernière adresse mémoire utilisée durant l’assemblage des objets. Elle nous permet donc de récupérer la position actuelle de *l’assemblage en mémoire: _myvar = .. Elle permet aussi de forcer la position d’une section: . = 0xFF (semblable à l’instruction AT(x)).
KEEP Indique à l’éditeur de liens de garder cette section même si elle est vide. Ce mot-clé a toute son importance lorsque l’on passe l’option --gc-sections à l’éditeur.
AT(x): Est un attribut de section (optionnel) qui permet de spécifier l’adresse à laquelle doit être placé la section.
> Y AT > X: Cette utilisation de AT diffère de la précédente. Dans ce cas, on l’utilise pour indiquer la zone mémoire de stockage (Y) et la zone mémoire dans laquelle la section doit être chargée (X).
ALIGN(x) spécifie l’alignement en mémoire, x étant le nombre d’octets
NOLOAD Indique au sein du fichier ELF que la section n’a pas besoin d’être chargée au démarrage du système. Ce mot-clé ne semble pas pertinent dans notre cas puisque le démarrage n’est pas fait à partir du fichier ELF mais cela nous permet de décrire les sections.
LOADADDR permet de récupérer l’adresse d’une section en mémoire.
PROVIDE Il y a deux manières de définir un symbole, soit par un assignement, soit via PROVIDE. PROVIDE permet de définir le symbole s’il n’est pas déjà défini dans les fichiers objets à assembler.
PROVIDE_HIDDEN Permet de définir une variable mais sans l’exporter ; donc définir une variable locale plutôt que globale.
ASSERT assertion classique permet de déclencher une erreur si le résultat du test est égal à zéro.
SIZEOF permet de récupérer la taille d’une section.
SORT permet de trier une liste

De manière naïve, nous pouvons dire que ces scripts sont découpés en trois parties:

La déclaration des variables Via l’assignation = ou PROVIDE, on peut assigner une valeur à une variable que l’on pourra réutiliser plus tard dans le script. Dans notre exemple, on s’en sert pour définir la taille maximale de la stack.
La description de la mémoire du périphérique. Grâce au mot-clé MEMORY, on indique l’adresse des zones mémoire à utiliser et leurs tailles.
La description de comment ranger le code en mémoire

Description de la mémoire

Cette section permet de décrire la zone mémoire utilisable. Dans notre exemple, nous avons trois zones, la RAM, le BOOTLOADER et la FLASH.

FLASH_SIZE = 0x10000000
RAM_SIZE = 0x30000

MEMORY{
    FLASH(rx) : ORIGIN = 0x00000000, LENGTH = FLASH_SIZE
    RAM(rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = RAM_SIZE
}

On remarque que la déclaration de variable et leur assignement nous permet de facilement séparer une même mémoire physique en deux mémoires virtuelles (BOOTLOADER et FLASH).

La déclaration des zones mémoire nous permet aussi d’indiquer les droits d’accès pour chacune de ces zones.

La gestion des sections

Le mot-clé SECTIONS{} permet de définir plus finement l’organisation du code dans les différentes zones mémoire.

La table des vecteurs d’interruption

Dans le cas d’un MCU basé sur l’architecture ARM Cortex-M, la première section doit être la table des vecteurs d’interruption.

Nous allons donc commencer le script avec:

SECTIONS{
  /* force la position à l'adresse relative 0 */
  . = 0x0;
  .vectors : {
  /* indique que les données doivent être
     alignées sur 4 octets */
  . = ALIGN(4);
    KEEP(*(.vectors))
  } > BOOTLOADER;
}

Attention, il ne faut pas oublier d’ajouter __attribute__ ((section(".vectors"))) à la déclaration de la table des vecteurs d’interruption afin de spécifier son lieu de stockage.

En ce qui concerne l’appellation des objets et des sections, GCC génère trois formes de “section” différentes:

mysection: la classique
mysection.mafonction mysection.mydata : générée automatiquement si l’on compile le programme avec les options -ffunction-sections ou -fdata-sections. Ces options permettent de générer une section par fonction/data. Cela peut être pratique pour placer précisément une donnée ou une fonction dans une zone particulière : par exemple en SRAM pour réduire les temps d’accès.
gnu.linkonce.{type}.{nom} : liée au Vague Linkage Cette section ne semble concerner que le code C++

Les sections usuelles

Les sections usuelles servent à stocker le code et les variables. On y retrouve :

.text: le code
.rodata: les données en lecture seule
.data: les données en lecture/écriture initialisées avec une valeur
.bss: les données en lecture/écriture non initialisées

Notons que les sections .data et .bss doivent être, respectivement, copiées et initialisées en RAM au démarrage du MCU. Dans notre cas de figure, cette opération est réalisée dans la fonction de démarrage (fonction appelée par l’interruption de Reset).

Ce sont les quatre sections que l’on retrouve systématiquement. Nous pouvons aussi y ajouter nos propres sections pour stocker une partie spécifique du programme à un emplacement donné.

Par exemple on pourrait vouloir que certaines fonctions soient exécutées depuis une autre zone mémoire (ex: SRAM) afin d’optimiser la vitesse d’exécution. On aurait alors le linker script suivant:

SECTIONS{
    .text : {
     
    } > FLASH
    .data : {
     
    } > RAM
    .bss : {
     
    } > RAM

    .superImportanteSection {
      speed_function.o
    } > SRAM AT > FLASH
}

L’indication > SRAM AT > FLASH permet d’indiquer que ces données sont stockées en FLASH mais doivent être chargées en SRAM au démarrage. Attention, ce n’est pas fait automatiquement : il faut adapter la fonction de démarrage (dans le cas d’un MCU) pour copier la section (cf: bss et data).

Les sections spécifiques

On retrouve ici les sections utilisées par le compilateur pour stocker les constructeurs et destructeurs d’objets (new et delete en C++ et __attribute__((constructor)) en C). N’utilisant pas le C++ en embarqué, l’étude de ce fonctionnement n’a pas été poussée.

Ce que j’ai pu en comprendre, c’est que ces sections sont utilisées par le compilateur pour stocker des pointeurs de fonction permettant d’initialiser/déinitialiser des variables.

Ces fonctions sont appelées via __libc_init_array durant la phase de démarrage et via __libc_fini_array à la fin de l’exécution (ce qui n’arrive jamais en embarqué). (cf picolibc).

Les sections d’initialisation et destruction sont:

preinit_array : générer par le compilateur pour les classes C++ (vtable) (je n’ai pas creusé davantage)
init_array : les fonctions avec l’attribut constructor. ATTENTION les constructeurs sont initialisés avec un ordre de priorité. Donc init_array doit être trié avec SORT.
fini_array : les fonctions avec l’attribut destructeur
ctors: déprécié
dtors: déprécié

Les sections ARM Debug

Pour pouvoir utiliser la fonction backtraces en debug, if faut fournir deux sections:

exidx : qui contient l’index permettant de décoder la stack
extab : qui contient le nom des sections contenant des infos sur les exceptions en cours ??? pas clair

Ressource:

Il semble que ces sections permettent d’analyser et restaurer la stack sans passer par le frame_pointer (fp). Ils parlent - sur so - d’utilisation pour les fonctions asynchrones. Freertos need it ?

Organisation de la RAM

Une des raisons m’ayant poussé à comprendre plus finement le fonctionnement des scripts de liens et de leurs éditeurs est de pouvoir modifier l’agencement de la RAM pour éviter que la pile déborde sur la stack ou que la stack descende sur la pile. Ces bugs sont particulièrement pénibles à résoudre…

L’idée ici est d’organiser la RAM de la manière suivante:

ram orga

Ainsi, la pile, qui est descendante sur ARM Cortex-M, viendra déborder sur la section “NoMansLand”. Donc en configurant le périphérique de protection mémoire (MPU) correctement, on pourra “normalement” détecter le débordement de la stack.

Idem pour la HEAP, qui elle est croissante et viendra déborder sur une adresse non accessible en écriture et nous permettra de détecter le dépassement rapidement.

Cet article explique clairement l’intérêt de cette configuration.

Autre linker

J’ai voulu voir s’il était possible de remplacer ld par mold mais mold ne supporte qu’un tout petit sous-ensemble de la syntaxe des linker-scripts. Il est donc impossible de l’utiliser pour l’embarqué en none-eabi.

Il me reste à tester avec lld de clang.

Une Tanche

Rust sur mcu: Découverte

Intro

Système de recette

Description du matériel

Les crates

Édition de liens

Pour aller plus loin

Un simple clignotement

Mise en place de la fonction main

configuration des périphériques

Linker scripts

Intro

Architecture du fichier .ld

Description de la mémoire

La gestion des sections

La table des vecteurs d’interruption

Les sections usuelles

Les sections spécifiques

Les sections ARM Debug

Organisation de la RAM

Autre linker

Références