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Comprehensive Rust Bare Metal 上午练习：用 I2C 罗盘与串口在 micro:bit v2 上构建无操作系统应用

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本指南围绕 Comprehensive Rust 课程中 Bare Metal（无操作系统 Rust）模块的上午练习展开：在 BBC micro:bit v2 开发板上，通过内部 I2C 总线读取 LSM303AGR 惯性测量单元（IMU）的磁力计数据，将罗盘方向实时输出到串口，并可选地在 5×5 LED 点阵上可视化。阅读并动手完成本练习后，你将掌握#![no_std]嵌入式程序的完整开发链路——从目标架构安装、外设初始化、embedded-hal 驱动抽象到cargo-embed烧录与picocom串口调试。仓库中的参考实现位于 src/exercises/bare-metal/compass/src/main.rs，是理解整套流程的最佳范本。

练习在课程中的位置

Bare Metal 部分在 src/SUMMARY.md 中作为课程独立章节存在，其课程总览文档 src/bare-metal.md 明确说明：这是一门面向已经掌握 Rust 基础（例如完成了 Comprehensive Rust 课程主体内容）、并且最好有其他语言裸机编程经验的学员设计的单日课程。上午的日程覆盖两个主题：

• 什么是no_stdRust；
• 为微控制器编写固件（microcontroller firmware）。

课程选取 BBC micro:bit v2 作为微控制器示例硬件。它基于 Nordic nRF52833 单片机，板载 LED、按键、通过 I2C 连接的加速度计与磁力计（即本练习的主角 LSM303AGR），并带有板上 SWD 调试器。morning.md所指向的罗盘练习正是这套硬件的直接应用：读取 I2C 罗盘方向并记录到串口，其详细任务说明见 src/exercises/bare-metal/compass.md，完整参考解答见 src/exercises/bare-metal/solutions-morning.md。

一、开发环境准备：从工具链到 USB 权限

正式开始前需要按 src/bare-metal.md 中的指引安装整套交叉编译与调试工具链。在 gLinux 或 Debian 系系统上执行：

sudo apt install gdb-multiarch libudev-dev picocom pkg-config qemu-system-arm build-essential rustup update rustup target add aarch64-unknown-none thumbv7em-none-eabihf rustup component add llvm-tools-preview cargo install cargo-binutils curl --proto '=https' --tlsv1.2 -LsSf https://github.com/probe-rs/probe-rs/releases/latest/download/probe-rs-tools-installer.sh | sh

各工具的作用如下：

• thumbv7em-none-eabihf：micro:bit v2 所用的 Cortex-M4F 目标三元组，编译出来的固件不依赖操作系统；
• aarch64-unknown-none：为课程下午的应用处理器（AArch64/QEMU virt）练习预留；
• llvm-tools-preview与cargo-binutils：提供objcopy等二进制工具，用于把 ELF 固件转换为可直接烧录的镜像；
• probe-rs：通过 SWD 调试器与目标板通信，提供cargo-embed烧录命令；
• picocom：轻量串口终端，用于查看板子通过 USB 串口输出的日志。

在 Linux 上还需要一条 udev 规则，让plugdev组的用户可以访问 micro:bit 的烧录/调试接口：

echo 'SUBSYSTEM=="hidraw", ATTRS{idVendor}=="0d28", MODE="0660", GROUP="logindev", TAG+="uaccess"' |\ sudo tee /etc/udev/rules.d/50-microbit.rules sudo udevadm control --reload-rules

规则中的idVendor == "0d28"正是 NXP（micro:bit 所用芯片厂商）的 USB Vendor ID。配置完成后，执行lsusb应能看到设备名为 "NXP ARM mbed" 的条目。若使用 Chromebook 的 Linux 环境，还需在系统设置的 Crostini 页面中把 USB 设备共享给 Linux（即chrome://os-settings/crostini/sharedUsbDevices）。

macOS 用户则使用 Homebrew 安装等价工具：

xcode-select --install brew install gdb picocom qemu rustup update rustup target add aarch64-unknown-none thumbv7em-none-eabihf rustup component add llvm-tools-preview cargo install cargo-binutils curl --proto '=https' --tlsv1.2 -LsSf https://github.com/probe-rs/probe-rs/releases/latest/download/probe-rs-tools-installer.sh | sh

二、练习目标与硬件背景

compass.md 给出的任务表述非常简洁：从一个 I2C 罗盘读取方向，并记录到串口；如果时间充裕，再尝试把读数以某种方式显示在 LED 上，或者利用按键做交互。文档随附的 Hint 给出了完成此任务的关键技术线索：

1. 关注lsm303agr与microbit-v2两个 crate 的文档，以及 micro:bit 硬件资料；
2. LSM303AGR 惯性测量单元（IMU）连接在内部 I2C 总线上；
3. TWI 是 I2C 的另一种叫法，因此 I2C 主设备外设称为 TWIM；
4. LSM303AGR 驱动需要一个实现了embedded_hal::i2c::I2ctrait 的实例，而microbit::hal::Twim正好实现了它；
5. microbit::Board结构体携带各种引脚和外设字段，开箱即用。

硬件链路梳理

结合 Hint 可以还原出完整的数据通路：nRF52833 芯片内部的 TWI/I2C 主控制器（TWIM0）连接板载 LSM303AGR 传感器；lsm303agrcrate 通过embedded-hal1.0 的 I2C 抽象对该传感器进行初始化与读取；microbit-v2crate 是 nRF52833 的板级支持库（Board Support Crate），把底层 PAC/HAL 封装为更友好的Board结构与命名。

关于"板级支持库"的概念，课程在 src/bare-metal/microcontrollers/board-support.md 中有专门讲解：板级支持 crate 在 HAL 之上再包一层，为特定开发板提供方便的名称、初始化逻辑，甚至板载外设驱动——microbit-v2就附带了一个简单的 LED 点阵驱动，这正好被参考实现用在了"把罗盘读数显示到 LED"的扩展部分。

三、练习工程骨架解读

练习模板是一个完整的 Cargo 工程，位于仓库的 src/exercises/bare-metal/compass/ 目录。文档明确说明以下三个文件不需要修改，它们把工程绑定到了具体硬件：

Cargo.toml（见 compass/Cargo.toml）：

[workspace] [package] name = "compass" version = "0.1.0" edition = "2024" publish = false [dependencies] cortex-m-rt = "0.7.5" embedded-hal = "1.0.0" lsm303agr = "1.1.0" microbit-v2 = "0.16.0" panic-halt = "1.0.0"

依赖清单与练习提示一一对应：cortex-m-rt提供 Cortex-M 的启动代码与#[entry]入口宏；embedded-hal1.0 提供 I2C、数字输入等抽象 trait；lsm303agr是 LSM303AGR 传感器驱动；microbit-v2是板级支持库；panic-halt则定义了no_std环境下的 panic 处理（挂起并进入死循环）。

Embed.toml（见 compass/Embed.toml）：

[default.general] chip = "nrf52833_xxAA" [debug.gdb] enabled = true [debug.reset] halt_afterwards = true

这是cargo-embed的配置文件：chip指定目标芯片为 nRF52833（xxAA 变体）；调试时启用 GDB 服务器，并在复位后先挂起（halt_afterwards = true），便于连接调试器后再继续执行。

.cargo/config.toml（见 compass/.cargo/config.toml）：与下午 RTC 练习中指向aarch64-unknown-none不同，本练习将其中的构建目标固定为 Cortex-M4F：

[build] target = "thumbv7em-none-eabihf"

src/main.rs 骨架（练习起点）：文档给出的模板只包含main与loop两个标注了// TODO的空位，其中引入了microbit::hal::{Delay, uarte::{Baudrate, Parity, Uarte}}与Board：

#![no_main] #![no_std] extern crate panic_halt as _; use core::fmt::Write; use cortex_m_rt::entry; use microbit::{hal::{Delay, uarte::{Baudrate, Parity, Uarte}}, Board}; #[entry] fn main() -> ! { // TODO loop { // TODO } }

这段骨架已经展示了no_std固件的两个铁律：#![no_std]声明不链接标准库；#![no_main]关闭运行时环境要求的main符号，改用cortex_m_rt的#[entry]属性标记入口，且入口函数返回!（永不返回）。Uarte是 nRF52833 的 UART 外设封装，Baudrate/Parity用于配置串口参数。

四、参考实现逐段拆解

仓库提供了完整的参考解答（src/exercises/bare-metal/compass/src/main.rs），我们按逻辑顺序逐段分析，这也是读者应自行实现的代码路径。

4.1 导入与常量

use embedded_hal::digital::InputPin; use lsm303agr::{ AccelMode, AccelOutputDataRate, Lsm303agr, MagMode, MagOutputDataRate, }; use microbit::Board; use microbit::display::blocking::Display; use microbit::hal::twim::Twim; use microbit::hal::uarte::{Baudrate, Parity, Uarte}; use microbit::hal::{Delay, Timer}; use microbit::pac::twim0::frequency::FREQUENCY_A; const COMPASS_SCALE: i32 = 30000; const ACCELEROMETER_SCALE: i32 = 700;

两个常量是 LED 可视化时的量程参数：磁力计读数单位是纳特斯拉（nT），典型地磁场强度在数万 nT 量级，因此COMPASS_SCALE = 30000；加速度计读数单位是毫重力（mg），取ACCELEROMETER_SCALE = 700作为 ±0.7 g 的显示量程。FREQUENCY_A是 TWIM 时钟频率的枚举类型（如 100 kHz）。

4.2 串口与外设初始化

#[entry] fn main() -> ! { let mut board = Board::take().unwrap(); // Configure serial port. let mut serial = Uarte::new( board.UARTE0, board.uart.into(), Parity::EXCLUDED, Baudrate::BAUD115200, ); // Use the system timer as a delay provider. let mut delay = Delay::new(board.SYST); writeln!(serial, "Setting up IMU...").unwrap(); let i2c = Twim::new(board.TWIM0, board.i2c_internal.into(), FREQUENCY_A::K100); let mut imu = Lsm303agr::new_with_i2c(i2c); imu.init().unwrap(); imu.set_mag_mode_and_odr( &mut delay, MagMode::HighResolution, MagOutputDataRate::Hz50, ) .unwrap(); imu.set_accel_mode_and_odr( &mut delay, AccelMode::Normal, AccelOutputDataRate::Hz50, ) .unwrap(); let mut imu = imu.into_mag_continuous().ok().unwrap(); // Set up display and timer. let mut timer = Timer::new(board.TIMER0); let mut display = Display::new(board.display_pins); let mut mode = Mode::Compass; let mut button_pressed = false;

这段初始化代码包含了多个嵌入式开发的核心模式：

• 外设所有权模型：Board::take()一次性拿走板上所有外设（且只能调用一次），随后通过board.UARTE0、board.TWIM0、board.SYST等字段把具体外设分发给驱动。board.uart.into()把引脚引脚转换为 UART 引脚配置——这正是 board-support.md 所讲的"板级库提供更友好命名与初始化"的体现；
• 串口配置：Uarte::new(board.UARTE0, ..., Parity::EXCLUDED, Baudrate::BAUD115200)将 UARTE0 外设配置为无校验、115200 波特率，与后面picocom的--baud 115200参数严格对应；
• I2C 总线：Twim::new(board.TWIM0, board.i2c_internal.into(), FREQUENCY_A::K100)用 100 kHz 时钟初始化内部 I2C 总线（TWI 主设备），这里的board.i2c_internal正是连接到 LSM303AGR 的内部总线引脚；
• 传感器驱动状态机：lsm303agrcrate 采用类型状态设计：先Lsm303agr::new_with_i2c(i2c)构造原始实例，init()完成芯片初始化，set_mag_mode_and_odr/set_accel_mode_and_odr分别配置磁力计（高分辨率模式、50 Hz 输出）与加速度计（普通模式、50 Hz 输出），最后into_mag_continuous()把实例转型为"连续磁力计读数模式"，未就绪时返回Err，因此用ok().unwrap()处理——每个步骤都在编译期推进驱动状态机，避免非法调用序列；
• 延时与显示：Delay::new(board.SYST)用系统滴答定时器提供毫秒级延时（传感器模式切换需要等待）；Timer::new(board.TIMER0)与Display::new(board.display_pins)驱动 5×5 LED 点阵。

4.3 主循环：采集、记录、可视化

writeln!(serial, "Ready.").unwrap(); loop { // Read compass data and log it to the serial port. while !(imu.mag_status().unwrap().xyz_new_data() && imu.accel_status().unwrap().xyz_new_data()) {} let compass_reading = imu.magnetic_field().unwrap(); let accelerometer_reading = imu.acceleration().unwrap(); writeln!( serial, "{},{},{}\t{},{},{}", compass_reading.x_nt(), compass_reading.y_nt(), compass_reading.z_nt(), accelerometer_reading.x_mg(), accelerometer_reading.y_mg(), accelerometer_reading.z_mg(), ) .unwrap(); let mut image = [[0; 5]; 5]; let (x, y) = match mode { Mode::Compass => ( scale(-compass_reading.x_nt(), -COMPASS_SCALE, COMPASS_SCALE, 0, 4) as usize, scale(compass_reading.y_nt(), -COMPASS_SCALE, COMPASS_SCALE, 0, 4) as usize, ), Mode::Accelerometer => ( scale( accelerometer_reading.x_mg(), -ACCELEROMETER_SCALE, ACCELEROMETER_SCALE, 0, 4, ) as usize, scale( -accelerometer_reading.y_mg(), -ACCELEROMETER_SCALE, ACCELEROMETER_SCALE, 0, 4, ) as usize, ), }; image[y][x] = 255; display.show(&mut timer, image, 100);

主循环是"传感器查询—串口输出—LED 可视化"三步走：

1. 同步等待新数据：轮询mag_status()与accel_status()的xyz_new_data()，直到磁力计和加速度计都产出新样本，避免读到陈旧数据（50 Hz 输出率下每次轮询等待约 20 ms）；
2. 格式化输出：磁力计以x_nt()/y_nt()/z_nt()输出纳特斯拉三轴分量，加速度计以x_mg()/y_mg()/z_mg()输出毫重力三轴分量，用制表符分隔、用core::fmt::Write的writeln!写入 UART——这也是开头use core::fmt::Write;的作用（no_std下没有println!，需要手动实现fmt::Write的串口驱动配合writeln!使用）；
3. LED 点阵投影：把三维读数投影到 5×5 坐标，scale()函数负责把传感器量程线性映射到0..=4的 LED 网格并clamp到边界，点亮对应像素。罗盘模式取(-x, y)方向投影，加速度计模式取(x, -y)投影（取负是为了让"前倾/左倾"的屏幕方向符合直觉）。

4.4 按键切换模式与模式枚举

// If button A is pressed, switch to the next mode and briefly blink all LEDs // on. if board.buttons.button_a.is_low().unwrap() { if !button_pressed { mode = mode.next(); display.show(&mut timer, [[255; 5]; 5], 200); } button_pressed = true; } else { button_pressed = false; } } } #[derive(Copy, Clone, Debug, Eq, PartialEq)] enum Mode { Compass, Accelerometer, } impl Mode { fn next(self) -> Self { match self { Self::Compass => Self::Accelerometer, Self::Accelerometer => Self::Compass, } } } fn scale(value: i32, min_in: i32, max_in: i32, min_out: i32, max_out: i32) -> i32 { let range_in = max_in - min_in; let range_out = max_out - min_out; let scaled = min_out + range_out * (value - min_in) / range_in; scaled.clamp(min_out, max_out) }

按键处理展示了裸机编程中常见的边沿检测手法：button_a.is_low()是物理电平（按下为低），而button_pressed布尔变量记录上一次采样状态；只有电平从"未按下"变为"按下"（is_low为真且button_pressed为假）时才算一次有效按键，避免按住时反复切换。按键后 LED 全亮 200 ms 作为模式切换的视觉反馈。Mode枚举在罗盘/加速度计两种显示模式间切换，scale函数则是一段通用的线性映射代码（(value - min_in) / range_in * range_out + min_out，最后clamp防止越界）。

五、查看串口输出

编译烧录完成后，Linux 下用picocom连接 USB 串口（micro:bit 的 DAPLink 提供 CDC 串口，通常为/dev/ttyACM0）：

picocom --baud 115200 --imap lfcrlf /dev/ttyACM0

macOS 上的设备名略有不同（例如/dev/tty.usbmodem14502）：

picocom --baud 115200 --imap lfcrlf /dev/tty.usbmodem14502

参数说明：--baud 115200必须与代码中Baudrate::BAUD115200一致；--imap lfcrlf把固件输出的\n转换为\r\n，使终端回显符合习惯。退出 picocom 使用快捷键Ctrl+A 然后 Ctrl+Q。启动时应首先看到 "Setting up IMU..."，初始化完成后再看到 "Ready."，随后是每秒 50 行的六轴数据流。

六、扩展思路与课程衔接

原练习把 LED 显示和按键交互列为"有时间再做"的加分项，参考实现已完整覆盖；在此之上你还可以尝试：

• 校准：板载磁力计受 PCB 走线与周围金属影响存在偏移，可先采集 360° 旋转数据求零偏后再映射方向角；
• 方向角计算：利用atan2(y, x)计算航向角并以度数输出，比直接输出三轴分量更贴近"罗盘"语义；
• 降低输出频率：50 Hz 的六列数据在串口终端刷屏很快，可考虑按固定节拍（如每 200 ms）采样输出。

若想继续深入，课程下午的 应用处理器练习 会切换到 QEMU aarch64 virt 平台，为 PL031 实时时钟编写 MMIO 驱动——上午练就的"外设初始化 + 轮询 + 串口输出"方法论在那里依然成立，只是 I2C 换成了直接寄存器访问，烧录换成了make qemu。

总结

本练习用一块微控制器、一颗传感器和一条 USB 串口，串联起no_stdRust 固件开发的所有关键环节：目标三元组与工具链、板级支持库的外设所有权模型、embedded-hal抽象下的 I2C 驱动接入、类型状态驱动的传感器初始化、轮询式数据采集，以及 LED 与按键组成的极简人机交互。对照仓库中的参考实现逐行阅读、再亲手重写一遍main与主循环，你就能把这套模式迁移到任意thumbv7em系列芯片项目上。相关资源索引：练习说明、参考解答、参考实现源码、课程工具链指南。

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