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Rusty Nixie! 完全使用Rust製作輝光鍾（1）

06-22
Rusty Nixie! 完全使用Rust製作輝光鍾（1）

來自專欄 Hacky Teddy

前言

終終終終於要填坑啦！自上個暑假以來，Ted開了n多個坑，然而卻一直由於種種原因無法填上。包括這個項目在內的還有「從零開始全棧黑白膠片攝影」和「Rust紅白機模擬器」。希望能盡快都形成文字和大家見面。

Rust語言與嵌入式編程

去年此時，Ted久聞Rust大名，決定一探究竟。學習一個語言最好的方式就是不斷使用以熟悉，因此他打算用Rust來做些有趣的事情。作為一個CS菜鳥，Ted對EE的事情毫無頭緒。由於大學時期鬼使神差地錯過了模擬電路和數字電路兩座大山，他既不知道什麼三極體集電極，也不了解什麼TTL寄存器。

身為食物鏈頂端的碼農，他很迫切想搞清楚很多困擾已久的概念。尤其是身為一個研究計算機系統的PhD，怎麼能對硬體系統一無所知呢？有強迫症的他，藉著這次學習的機會，用Rust來寫一些bare-metal的代碼，最好能直接刷寫在chip上運行。於是他想到了MCU。不要問我他怎麼知道MCU的。

MCU，即Marvel Cinematic Universe 漫威電影宇宙，哦不，MicroController Unit 單片機。形象點說就是集成了處理器、內存、IO功能的晶元。這次Ted選擇了比較常見便宜的STM32系列晶元：STM32F103C8。它內置了最大主頻為72MHz的ARM Cortex-M3 CPU，64K Flash和20K SRAM。也就是說最多20K的運行時內存和64K的固件。STM32系列的chip可以直接通過ST-link在串口寫入或者調試代碼，十分方便。

Rust，是一款生存向PvP遊戲，哦不，是一款近年來逐漸受到關注的靜態類型，保證內存安全和線程安全的類C程序語言。用它寫的程序跑得快，還不受segfaults或者data-race的困擾，十分適合系統編程。與golang不同的是，它的內存安全不是通過GC，而是通過programming model來實現的。它支持type polymorphism和hygienic macros，且官方提供了較為完善的工程構建和包管理系統。

Nixie Tube

既然要用Rust做嵌入式開發，且最後程序無需OS直接在bare-metal chip上運行，考慮到參考資料並不太多且沒有過嵌入式經驗，Ted打算從最簡單的系統入手：時鐘。當然，為了讓project更加有趣酷炫，必須在時鐘顯示上面下點功夫，比如使用Nixie tube（輝光管）。在上世紀50年代，VFD、LCD或是LED被廣泛使用前，電子儀器的數字指示主要是通過Nixie Tube來實現的。它的原理是利用陰極電子在高壓下向陽極發射，擊中附近的惰性氣體，從而發出輝光。一個顯示0-9數字的輝光管內一般有10個金屬片，每個金屬片被做成相應數字的形狀，且與一個對應的陰極接腳相連。這些金屬片像千手觀音那樣被疊放起來，以至於當其中任意一個發出輝光時，都會讓人忽略掉其他未發光的金屬片的存在，從而實現可變的數字顯示。最後，陽極的金屬網罩將所有金屬片圍起來，提供電子發射的電勢。

不知是不是因為符合工程暴力美學，現在市面上保有的絕大部分輝光管都是產自蘇聯。這種燈管因為壽命遠低於後來的替代技術，且需要較高的工作電壓，功耗高，很快便成為了歷史。然而因為它顯示數字獨特的輝光，以及和後來分段顯示不同的顯示方式，在如今搖身一變為收藏品。因為已經停產，那些相對保有量較少的管子更是價格令人咋舌。此外，由於有些蒸汽朋克的外觀，它也出現在影視作品和遊戲之中，例如《命運石之門》中的世界線變動檢測儀，或是《輻射4》中的機甲HUD。

思路和關鍵技術

在完全沒有硬體方面經驗的情況下，Ted以他作為system researcher 敏（yu）銳（dun）的直覺列舉了以下的關鍵點：

  1. 如何只使用Rust完成一個bare-metal的"Hello, World"程序（閃爍外部的LED）？
  2. 印象中好像控制一個外部設備不需要那麼多接線，但是如果製作一個同時控制6位數的電路，再怎麼也得每個bit需要一個IO吧？除非，除非用多個時鐘週期來完成一次顯示的更新……
  3. 如何在不使用數量巨大IO的情況下讓二進制的介面控制實際上是十進制的燈管（因為有10個陰極）？除非有個神奇的現成的晶元可以把4位二進制的編碼轉成10個腳的通斷……
  4. 如何在5v的工作電壓的邏輯門下驅動170v懸空電壓的輝光管？

最後，Ted發現這些問題都得到了令人滿意的答案：

  1. 處理器有著固定的Reset中斷地址，相當於整個代碼執行的起始點。交叉編譯器能處理好這個問題，與語言無關。但是工具鏈需要把代碼和內存地址正確地與物理地址對應起來（在沒有OS的情況下），且Rust代碼需要在編譯時去掉標準庫。
  2. 完全正確，這種思路就是串列，可以通過移位寄存器（Shift register）來實現。
  3. 其實就是4個bit的多路選通器（Multiplexer），也叫做譯碼器（Decoder），這種邏輯太常見了，有集成電路賣。
  4. 使用open-drain的設計方式，可以用高壓三級管來控制接地的通斷，或者直接省事購買能耐高壓的decoder。

接下來的幾個連載會介紹整個過程，在這之前先放實物圖。

初號機顯示時間晚上10點57分38秒：

二號機調試過程中：

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