STM32編程中printf函數(shù)重定向背后的原理

在C語言中，printf是一個(gè)非常好用的函數(shù)，尤其是在程序調(diào)試階段，我們可以通printf打印變量的值來幫助查錯(cuò)。在學(xué)習(xí)C語言的時(shí)候我們的開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境都是PC機(jī)，printf函數(shù)打印到PC機(jī)的屏幕上是順理成章的事。但當(dāng)我們?cè)谧銮度胧介_發(fā)時(shí)，即使目標(biāo)機(jī)器上有LCD屏幕，直接使用printf函數(shù)也是觀察不到結(jié)果的。這時(shí)有經(jīng)驗(yàn)的工程師一般都會(huì)通過重定向printf函數(shù)來將printf的定向到串口，再通過USB轉(zhuǎn)TTL等工具從目標(biāo)主機(jī)的串口上讀取數(shù)據(jù)流到電腦。

　　下面先介紹在Keil中如何重定向printf的輸出到USART3。實(shí)際操作很簡單，總共分為3步：

1.在工程設(shè)置中開啟Use MicroLIB選項(xiàng):

2.在代碼中實(shí)現(xiàn)自定義的fputc函數(shù)，其函數(shù)原型為 int fputc(int c, FILE *stream)。printf函數(shù)底層是通過調(diào)用fputc函數(shù)來實(shí)現(xiàn)字符輸出的，所以我們只需對(duì)fputc函數(shù)重定義即可。本例中將printf重定向到STM32的USART3，所以函數(shù)中用到的寄存器是USART3->SR:

添加自定義的fputc函數(shù)

3.最后一步，初始化USART3，使能輸出。初始化函數(shù)：

USART3初始化函數(shù)

　　經(jīng)過以上3個(gè)步驟，STM32的USART3已經(jīng)能夠通過printf打印輸出了，效果如下：

測(cè)試代碼

printf實(shí)際輸出效果

　　可以看到，要想在STM32開發(fā)中實(shí)現(xiàn)printf重定向在操作上很簡單。但其背后的原理又是什么？我們知道C語言是不支持函數(shù)重定義語法的，如果我們自己在同一作用域下定義2個(gè)同名函數(shù)編譯是必然報(bào)錯(cuò)的。為什么我們可以重定義fputc函數(shù)而不會(huì)和函數(shù)庫中原有的fputc發(fā)生沖突呢？要解釋這個(gè)問題，就要引入新的概念：“強(qiáng)符號(hào)”、“弱符號(hào)”。在gcc編譯器中使用 "__attribute__((weak)) " 修飾的函數(shù)或變量屬于弱符號(hào)，否則就是強(qiáng)符號(hào)。關(guān)于"強(qiáng)符號(hào)"和"弱符號(hào)"，有以下規(guī)則：

• 規(guī)則1：不允許強(qiáng)符號(hào)被多次定義（即不同的目標(biāo)文件中不能有同名的強(qiáng)符號(hào)）；如果有多個(gè)強(qiáng)符號(hào)定義，則鏈接器報(bào)符號(hào)重復(fù)定義錯(cuò)誤。

• 規(guī)則2：如果一個(gè)符號(hào)在某個(gè)目標(biāo)文件中是強(qiáng)符號(hào)，在其他文件中都是弱符號(hào)，那么選擇強(qiáng)符號(hào)。

• 規(guī)則3：如果一個(gè)符號(hào)在所有目標(biāo)文件中都是弱符號(hào)，那么選擇其中占用空間最大的一個(gè)。比如目標(biāo)文件A定義全局變量global為int型，占4個(gè)字節(jié)；目標(biāo)文件B定義global為doulbe型，占8個(gè)字節(jié)，那么目標(biāo)文件A和B鏈接后，符號(hào)global占8個(gè)字節(jié)（盡量不要使用多個(gè)不同類型的弱符號(hào)，否則容易導(dǎo)致很難發(fā)現(xiàn)的程序錯(cuò)誤）。

　　在函數(shù)庫中默認(rèn)的fputc函數(shù)就是通過"__attribute__((weak)) " 修飾的弱符號(hào)函數(shù)。所以在我們重定義了fputc函數(shù)后，編譯器就選擇了我們定義的fputc函數(shù)進(jìn)行鏈接。我們定義的fputc函數(shù)將字符輸出到USART3，printf函數(shù)在底層調(diào)用了fputc函數(shù)，因此printf的輸出便重定向到了USART3。如果你愿意，你也可以將printf函數(shù)重定向到SPI等外設(shè)輸出，但由于串口使用方便，我們一般選擇重定向到串口。

最后要注意一點(diǎn)：強(qiáng)弱符號(hào)的鏈接特性是由鏈接器決定的，并不是C語言語法本身的特性。所以如果使用的是不同的編譯工具鏈，這個(gè)特性不一定存在。看到這里，想必大家已經(jīng)清楚STM32編程中printf重定向背后的原理了。