设计合约
在上一章中,我们编写了一个接口,但是该接口没有严格执行设计合约。让我们再看一下我们假想的GPIO配置寄存器:
| 名字 | 位号 | 值 | 含义 | 注意事项 |
|---|---|---|---|---|
| 启用 | 0 | 0 | 禁用 | 禁用GPIO |
| 1 | 启用 | 启用GPIO | ||
| 方向 | 1 | 0 | 输入 | 将方向设置为输入 |
| 1 | 输出 | 将方向设置为输出 | ||
| 输入模式 | 2..3 | 00 | 高电阻 | 将输入设置为高阻 |
| 01 | 拉低 | 输入引脚被拉低 | ||
| 10 | 拉高 | 输入引脚被拉高 | ||
| 11 | 状态无效 | 不设 | ||
| 输出模式 | 4 | 0 | 低 | 引脚被驱动为低电平 |
| 1 | 高 | 输出引脚被驱动为高电平 | ||
| 输入状态 | 5 | x | 输入值 | 如果输入<1.5v,则为0;如果输入> = 1.5v,则为1 |
如果我们改为在运行时检查是否遵循了设计合约,即在使用底层硬件之前检查状态,则我们可能会编写如下所示的代码:
/// GPIO interface
struct GpioConfig {
/// GPIO Configuration structure generated by svd2rust
periph: GPIO_CONFIG,
}
impl GpioConfig {
pub fn set_enable(&mut self, is_enabled: bool) {
self.periph.modify(|_r, w| {
w.enable().set_bit(is_enabled)
});
}
pub fn set_direction(&mut self, is_output: bool) -> Result<(), ()> {
if self.periph.read().enable().bit_is_clear() {
// Must be enabled to set direction
return Err(());
}
self.periph.modify(|r, w| {
w.direction().set_bit(is_output)
});
Ok(())
}
pub fn set_input_mode(&mut self, variant: InputMode) -> Result<(), ()> {
if self.periph.read().enable().bit_is_clear() {
// Must be enabled to set input mode
return Err(());
}
if self.periph.read().direction().bit_is_set() {
// Direction must be input
return Err(());
}
self.periph.modify(|_r, w| {
w.input_mode().variant(variant)
});
Ok(())
}
pub fn set_output_status(&mut self, is_high: bool) -> Result<(), ()> {
if self.periph.read().enable().bit_is_clear() {
// Must be enabled to set output status
return Err(());
}
if self.periph.read().direction().bit_is_clear() {
// Direction must be output
return Err(());
}
self.periph.modify(|_r, w| {
w.output_mode.set_bit(is_high)
});
Ok(())
}
pub fn get_input_status(&self) -> Result<bool, ()> {
if self.periph.read().enable().bit_is_clear() {
// Must be enabled to get status
return Err(());
}
if self.periph.read().direction().bit_is_set() {
// Direction must be input
return Err(());
}
Ok(self.periph.read().input_status().bit_is_set())
}
}
因为我们需要遵循硬件的访问限制,所以最终需要进行大量的运行时检查,这一方面浪费了时间和资源,另一方面开发人员也会不太满意(这样的代码写起来乏味,用这个代码的人也容易出错)。
类型状态机
如果我们使用Rust的类型系统执行状态转换规则会是什么样子呢?举个例子:
/// GPIO interface
struct GpioConfig<ENABLED, DIRECTION, MODE> {
/// GPIO Configuration structure generated by svd2rust
periph: GPIO_CONFIG,
enabled: ENABLED,
direction: DIRECTION,
mode: MODE,
}
// Type states for MODE in GpioConfig
struct Disabled;
struct Enabled;
struct Output;
struct Input;
struct PulledLow;
struct PulledHigh;
struct HighZ;
struct DontCare;
/// These functions may be used on any GPIO Pin
impl<EN, DIR, IN_MODE> GpioConfig<EN, DIR, IN_MODE> {
pub fn into_disabled(self) -> GpioConfig<Disabled, DontCare, DontCare> {
self.periph.modify(|_r, w| w.enable.disabled());
GpioConfig {
periph: self.periph,
enabled: Disabled,
direction: DontCare,
mode: DontCare,
}
}
pub fn into_enabled_input(self) -> GpioConfig<Enabled, Input, HighZ> {
self.periph.modify(|_r, w| {
w.enable.enabled()
.direction.input()
.input_mode.high_z()
});
GpioConfig {
periph: self.periph,
enabled: Enabled,
direction: Input,
mode: HighZ,
}
}
pub fn into_enabled_output(self) -> GpioConfig<Enabled, Output, DontCare> {
self.periph.modify(|_r, w| {
w.enable.enabled()
.direction.output()
.input_mode.set_high()
});
GpioConfig {
periph: self.periph,
enabled: Enabled,
direction: Output,
mode: DontCare,
}
}
}
/// This function may be used on an Output Pin
impl GpioConfig<Enabled, Output, DontCare> {
pub fn set_bit(&mut self, set_high: bool) {
self.periph.modify(|_r, w| w.output_mode.set_bit(set_high));
}
}
/// These methods may be used on any enabled input GPIO
impl<IN_MODE> GpioConfig<Enabled, Input, IN_MODE> {
pub fn bit_is_set(&self) -> bool {
self.periph.read().input_status.bit_is_set()
}
pub fn into_input_high_z(self) -> GpioConfig<Enabled, Input, HighZ> {
self.periph.modify(|_r, w| w.input_mode().high_z());
GpioConfig {
periph: self.periph,
enabled: Enabled,
direction: Input,
mode: HighZ,
}
}
pub fn into_input_pull_down(self) -> GpioConfig<Enabled, Input, PulledLow> {
self.periph.modify(|_r, w| w.input_mode().pull_low());
GpioConfig {
periph: self.periph,
enabled: Enabled,
direction: Input,
mode: PulledLow,
}
}
pub fn into_input_pull_up(self) -> GpioConfig<Enabled, Input, PulledHigh> {
self.periph.modify(|_r, w| w.input_mode().pull_high());
GpioConfig {
periph: self.periph,
enabled: Enabled,
direction: Input,
mode: PulledHigh,
}
}
}
现在,让我们看一下使用它的代码是什么样的:
/*
* Example 1: Unconfigured to High-Z input
*/
let pin: GpioConfig<Disabled, _, _> = get_gpio();
// Can't do this, pin isn't enabled!
// pin.into_input_pull_down();
// Now turn the pin from unconfigured to a high-z input
let input_pin = pin.into_enabled_input();
// Read from the pin
let pin_state = input_pin.bit_is_set();
// Can't do this, input pins don't have this interface!
// input_pin.set_bit(true);
/*
* Example 2: High-Z input to Pulled Low input
*/
let pulled_low = input_pin.into_input_pull_down();
let pin_state = pulled_low.bit_is_set();
/*
* Example 3: Pulled Low input to Output, set high
*/
let output_pin = pulled_low.into_enabled_output();
output_pin.set_bit(true);
// Can't do this, output pins don't have this interface!
// output_pin.into_input_pull_down();
这绝对是存储引脚状态的便捷方法,但是为什么要这样做呢?为什么这比将状态作为enum存储在我们的 GpioConfig结构中更好?
编译时功能安全
因为我们在编译时完全强制执行设计约束,所以不会产生运行时成本。当引脚处于输入模式时,无法设置输出模式。相反,您必须通过将其转换为输出引脚。因此由于不必在执行功能之前检查当前状态,不会造成运行时间损失。
同样,由于这些状态是由类型系统强制执行的,因此该接口的使用者不可能错误地使用。如果他们尝试执行非法的状态转换,则代码将无法编译!