Периферия как конечные автоматы

Периферию микроконтроллера можно рассматривать как набор конечных автоматов. Например, конфигурацию упрощённого вывода GPIO можно представить следующим деревом состояний:

• Отключён (Disabled)
• Включён (Enabled)
  • Настроен как выход (Configured as Output)
    • Выход: высокий уровень (Output: High)
    • Выход: низкий уровень (Output: Low)
  • Настроен как вход (Configured as Input)
    • Вход: высокий импеданс (Input: High Resistance)
    • Вход: подтянут к земле (Input: Pulled Low)
    • Вход: подтянут к питанию (Input: Pulled High)

Если периферия находится в режиме Disabled, то чтобы перейти в состояние Input: High Resistance, нужно выполнить следующие шаги:

1. Disabled
2. Enabled
3. Configured as Input
4. Input: High Resistance

Если мы хотим перейти из Input: High Resistance в Input: Pulled Low, нужно выполнить такие шаги:

1. Input: High Resistance
2. Input: Pulled Low

Аналогично, если мы хотим перевести вывод GPIO из состояния Input: Pulled Low в Output: High, нужно выполнить такие шаги:

1. Input: Pulled Low
2. Configured as Input
3. Configured as Output
4. Output: High

Представление в аппаратуре

Обычно перечисленные выше состояния задаются записью значений в определённые регистры, отображённые на периферию GPIO. Чтобы проиллюстрировать это, определим воображаемый регистр конфигурации GPIO:

Мы могли бы предоставить следующую структуру в Rust для управления этим GPIO:

/// Интерфейс GPIO
struct GpioConfig {
    /// Структура конфигурации GPIO, сгенерированная 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()
    }
}

Однако это позволит изменять некоторые регистры бессмысленным образом. Например, что произойдёт, если мы установим поле output_mode, когда наш GPIO настроен как вход?

В общем случае использование такой структуры позволило бы прийти к состояниям, не определённым нашим конечным автоматом выше: например, выход, подтянутый к земле, или вход, установленный в высокий уровень. Для некоторой аппаратуры это может не иметь значения. На другой аппаратуре это может привести к неожиданному или неопределённому поведению!

Хотя такой интерфейс удобно писать, он не обеспечивает соблюдения проектных контрактов, заданных нашей аппаратной реализацией.