外设作为状态机

微控制器的外围设备可以认为是一组状态机。例如，简化的GPIO引脚的配置可以表示为以下状态树:

• 禁用
• 已启用
  • 配置为输出
    • 输出:高
    • 输出:低
  • 配置为输入
    • 输入:高电阻
    • 输入:拉低
    • 输入:拉高

如果外围设备以“禁用”模式启动，想要转移至“输入:高电阻”模式，我们必须执行以下步骤:

1. 禁用模式
2. 启用
3. 配置为输入
4. 输入:高电阻

如果要从“输入:高电阻”转移至“输入:拉低”，则必须执行以下步骤:

1. 输入:高阻
2. 输入:拉低

同样，如果要将GPIO引脚从“输入:拉低”转移到“输出:高”，则必须执行以下步骤:

1. 输入:拉低
2. 配置为输入
3. 配置为输出
4. 输出:高

硬件表示

通常，上面列出的状态是通过将修改映射到GPIO外设的寄存器来设置的。让我们虚拟一个的PIO配置寄存器来说明这一点:

我们可以在Rust中定义以下结构来控制此GPIO:

/// 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) {
        self.periph.modify(|r, w| {
            w.direction().set_bit(is_output)
        });
    }

    pub fn set_input_mode(&mut self, variant: InputMode) {
        self.periph.modify(|_r, w| {
            w.input_mode().variant(variant)
        });
    }

    pub fn set_output_mode(&mut self, is_high: bool) {
        self.periph.modify(|_r, w| {
            w.output_mode.set_bit(is_high)
        });
    }

    pub fn get_input_status(&self) -> bool {
        self.periph.read().input_status().bit_is_set()
    }
}

但是，这能使我们对寄存器做没有任何意义的修改。例如在GPIO配置为输入时,修改输出模式(表中位4)会发生什么？

一般来说,这个结构体的定义虽然可以工作,但是让我们很容易进入没有定义的状态,比如输出模式时,输入引脚被配置为拉低;输入模式时,输出引脚被配置为高。对于某些硬件，这可能无所谓,但是在其他硬件上，这可能会导致意外或未定义的行为！

总的来说,尽管编写该接口很方便，但是它并没有严格遵循硬件的设计约定(design contracts)。