裸机编程基础：无标准库环境与全局分配器

好，咱们进入第三章。说实话，这一章是很多 Rust 嵌入式新手的第一道坎。为什么？因为你要跟 std 说再见了。没有 Vec，没有 Box，没有 println!，甚至连 panic 都没人帮你处理。听起来有点慌？别急，我带你一步步搭起来。

为什么需要 #![no_std]？

你想想看，在 Cortex-M 或者 RISC-V 的 MCU 上，哪来的操作系统？没有 OS，就没有文件系统、没有网络栈、没有线程调度。std 库底层依赖这些东西，所以在裸机上根本跑不起来。

我个人习惯，新建一个嵌入式项目时，第一件事就是在 main.rs 顶部写上：

#![no_std]
#![no_main]

这两行告诉编译器：别给我链接标准库，也别用默认的 main 入口。嗯，这里要注意，#![no_main] 是因为裸机程序的入口是 reset_handler 或者 _start，不是 C 语言的 main。

全局分配器：让堆动起来

没有 std，你连 Box::new(42) 都写不了。为什么？因为 Box 需要全局分配器。在 std 里，这个分配器是系统提供的。在裸机上，你得自己写。

我在项目中遇到过最坑的事：一个同事把堆大小设成了 128 字节，结果 Box::new([0u8; 256]) 直接静默失败，查了两天才发现是分配器返回了空指针。所以，分配器必须可靠。

Rust 提供了一个 trait：GlobalAlloc。你只需要实现 alloc 和 dealloc 两个方法。最简单的实现——固定大小 bump allocator：

use core::alloc::{GlobalAlloc, Layout};
use core::ptr;

pub struct BumpAllocator {
    heap_start: usize,
    heap_end: usize,
    next: usize,
}

unsafe impl GlobalAlloc for BumpAllocator {
    unsafe fn alloc(&self, layout: Layout) -> *mut u8 {
        // 对齐
        let align = layout.align();
        let size = layout.size();
        let current = (self.next + align - 1) & !(align - 1);
        
        if current + size > self.heap_end {
            ptr::null_mut()  // 堆溢出
        } else {
            self.next = current + size;
            current as *mut u8
        }
    }

    unsafe fn dealloc(&self, _ptr: *mut u8, _layout: Layout) {
        // bump allocator 不支持释放单个对象
        // 实际项目中建议用 linked_list_allocator 或 buddy allocator
    }
}

注册全局分配器很简单：

#[global_allocator]
static ALLOCATOR: BumpAllocator = BumpAllocator {
    heap_start: 0x2000_4000,  // 假设 SRAM 起始地址
    heap_end: 0x2000_8000,
    next: 0x2000_4000,
};

然后你就可以愉快地使用 alloc::boxed::Box 和 alloc::vec::Vec 了。记得在 Cargo.toml 里加上 alloc 依赖：

[dependencies]
alloc = { version = "1.0", features = ["nightly"] }

panic 处理：别让系统静默死掉

没有 std，panic 发生时不会打印 "thread 'main' panicked at ..."。实际上，如果你不提供 #[panic_handler]，编译器会直接报错。

我建议至少做两件事：

1. 把 panic 信息输出到某个串口或 ITM
2. 进入死循环，方便调试器挂住

一个典型的 panic handler：

use core::panic::PanicInfo;

#[panic_handler]
fn panic(info: &PanicInfo) -> ! {
    // 假设你有一个串口输出函数
    // uart_send_str("PANIC: ");
    // uart_send_str(info.message().unwrap_or("unknown"));
    
    // 或者用 cortex-m 的 semihosting
    // hprintln!("PANIC: {}", info).ok();
    
    loop {}
}

知识结构总览

下面这张图把本章的核心逻辑串起来了。你从 #![no_std] 出发，需要自己搞定三件事：入口、内存、异常。这三根柱子撑起了整个裸机程序。

实际项目中的配置清单

每次新建一个裸机项目，我都是按这个清单来检查的。你可以直接拿来用：

步骤	操作	常见坑
1	添加 #![no_std] 和 #![no_main]	忘记加 #![no_main] 会导致链接错误
2	实现 #[panic_handler]	不提供的话，编译器报 "panic_handler not found"
3	定义堆空间并实现 GlobalAlloc	堆大小不够时，alloc 返回 null，但 Rust 不会自动检查
4	用 #[global_allocator] 注册	只能注册一个，重复注册会编译失败
5	在 Cargo.toml 添加 alloc 依赖	需要 nightly Rust，stable 不支持自定义分配器

小结