STM32编程中printf函数重定向背后的原理

只看该作者 · 2024-2-19 12:10

本帖最后由 elephant00 于 2024-2-19 12:12 编辑

在C语言中，printf是一个非常好用的函数，尤其是在程序调试阶段，我们可以通printf打印变量的值来帮助查错。在学习C语言的时候我们的开发环境和运行环境都是PC机，printf函数打印到PC机的屏幕上是顺理成章的事。但当我们在做嵌入式开发时，即使目标机器上有LCD屏幕，直接使用printf函数也是观察不到结果的。这时有经验的工程师一般都会通过重定向printf函数来将printf的定向到串口，再通过USB转TTL等工具从目标主机的串口上读取数据流到电脑。

下面先介绍在Keil中如何重定向printf的输出到USART3。实际操作很简单，总共分为3步：

1.在工程设置中开启Use MicroLIB选项:

开启Use MicroLIB选项

2.在代码中实现自定义的fputc函数，其函数原型为 int fputc(int c, FILE *stream)。printf函数底层是通过调用fputc函数来实现字符输出的，所以我们只需对fputc函数重定义即可。本例中将printf重定向到STM32的USART3，所以函数中用到的寄存器是USART3->SR:

3.最后一步，初始化USART3，使能输出。初始化函数：

只看该作者 · 2024-2-19 12:13

经过以上3个步骤，STM32的USART3已经能够通过printf打印输出了，效果如下：

可以看到，要想在STM32开发中实现printf重定向在操作上很简单。但其背后的原理又是什么？我们知道C语言是不支持函数重定义语法的，如果我们自己在同一作用域下定义2个同名函数编译是必然报错的。为什么我们可以重定义fputc函数而不会和函数库中原有的fputc发生冲突呢？要解释这个问题，就要引入新的概念：“强符号”、“弱符号”。在gcc编译器中使用 "__attribute__((weak)) " 修饰的函数或变量属于弱符号，否则就是强符号。关于"强符号"和"弱符号"，有以下规则：

规则1：不允许强符号被多次定义（即不同的目标文件中不能有同名的强符号）；如果有多个强符号定义，则链接器报符号重复定义错误。
规则2：如果一个符号在某个目标文件中是强符号，在其他文件中都是弱符号，那么选择强符号。
规则3：如果一个符号在所有目标文件中都是弱符号，那么选择其中占用空间最大的一个。比如目标文件A定义全局变量global为int型，占4个字节；目标文件B定义global为doulbe型，占8个字节，那么目标文件A和B链接后，符号global占8个字节（尽量不要使用多个不同类型的弱符号，否则容易导致很难发现的程序错误）。

只看该作者 · 2024-2-19 12:13

　在函数库中默认的fputc函数就是通过"__attribute__((weak)) " 修饰的弱符号函数。所以在我们重定义了fputc函数后，编译器就选择了我们定义的fputc函数进行链接。我们定义的fputc函数将字符输出到USART3，printf函数在底层调用了fputc函数，因此printf的输出便重定向到了USART3。如果你愿意，你也可以将printf函数重定向到SPI等外设输出，但由于串口使用方便，我们一般选择重定向到串口。

最后要注意一点：强弱符号的链接特性是由链接器决定的，并不是C语言语法本身的特性。所以如果使用的是不同的编译工具链，这个特性不一定存在。看到这里，想必大家已经清楚STM32编程中printf重定向背后的原理了。

只看该作者 · 2024-2-20 17:46

受教了！