printf重定向到串口与自定义日志输出函数

1万 · 2024-5-7 09:36

一、 printf 重定向
1. 概念
printf重定向是指将标准输出函数printf()的输出流重定向到用户定义的其他输出设备或存储介质，而不是默认的标准输出设备（通常是终端或控制台）。这样做可以将printf()函数输出的内容发送到不同的设备，比如串口、文件、LCD屏幕等，从而实现更灵活的输出方式。

2. 实现方式
通过重写putchar函数可以简单地实现printf重定向。下面是一个示例：

/**
* @brief printf 重定向
* @param c
*/
void putchar(char c){
SBUF = c;
while(!TI);
TI = 0;
}

调用方法：
main.c

#include "SH79F9476.h"
#include "clk_utils.h"
#include "cpu.h"
#include "euart_utils.h"
#include "common_utils.h"
#include <stdio.h>

void main() {
char index=0x31;
// 选择高速时钟
highFrequenceClk();

// 初始化串口
Uart0_Init();

while (1) {
      printf("char(%bd) = %c \n",index, index);
index++;
if(index>0x7d)index=0x31;

      // 暂停
      delay_ms(500);
}
}

示例会通过uart0串口输出ascii码。

3. C51 中printf数值格式化
标准的C语言格式化字符格式如下：

数值的输出是%d，如：

printf("My age is %d", age);

但是在C51中，对于单字节变量的格式化输出，需要在%d中加入字母，规则如下：

8位数据格式加字母"b"，如 %bd， %bu
16位数据格式加字母"h", 如 %hd
32位数据格式加字母"l"，如%ld
上例中的程序：

printf("char(%bd) = %c \n",index, index);

%bd 就是输出 8位数据。

二、日志函数
1. 实现方案分析
上面实现的printf函数，只适合一些比较小的应用场合，比如控制几个灯、开关之类，其原因是：

虽然可以方便地将日志重定向到串口，但是putchar中的WHILE(!TI);会阻塞程序执行。在一些商用场合，MCU的资源、时序都不允许让MCU停止下来等待日志输出。

由于putchar是个单字符发送，重写putchar已经没办法实现中断发送的效果。

为了重定向日志，一种可能的方式是对printf函数进行重写。但printf 使用的是可变长度参数函数，很可惜C51不支持可变数量函数参数的功能，C51的宏也不支持传递可变数量参数，使得重写printf难以实现。如果非要实现，可能要换其它编译器把函数编译成库供C51来调用，我个人觉得过于复杂，所以不再走这条路线。

最终决定的方式是自定义日志函数，使用两层宏参数来实现可长度参数的功能。

2. 代码
（1）log_utils.h
#ifndef __LOG_UTILS_H__
#define __LOG_UTILS_H__
#include "euart_utils.h"
#include <stdio.h>

// 发送缓冲区
extern U8 gUart0DataTxD[UART0_DATA_BUF_SIZE];
#define TAG gUart0DataTxD+log_len
/**
* INFO 级别日志
*/
#define LOGI(args) \
do {          \
      U8 log_len;  \
      log_len = sprintf(gUart0DataTxD, "[I] %s:%bd: ", __FILE__, __LINE__); \
      log_len += sprintf args;          \
      log_len += sprintf(gUart0DataTxD + log_len, "\n"); \
      Uart0_Transmit(log_len); \
} while (0)

/**
* ERROR 级别日志
*/
#define LOGE(args) \
do {          \
      U8 log_len;  \
      log_len = sprintf(gUart0DataTxD, "[E] %s:%bd: ", __FILE__, __LINE__); \
      log_len += sprintf args;          \
      log_len += sprintf(gUart0DataTxD + log_len, "\n"); \
      Uart0_Transmit(log_len); \
} while (0)

#endif

（2）main.c
#include "SH79F9476.h"
#include "clk_utils.h"
#include "cpu.h"
#include "common_utils.h"
#include "isr_utils.h"
#include "log_utils.h"
#include <stdio.h>

// 发送缓冲区
void main() {
char index = 0x31;
// 选择高速时钟
highFrequenceClk();

enableAllIsr();
// 初始化串口
Uart0_Init();

while (1) {
      LOGI((TAG, "char(%bd) = %c",index, index));

      index++;
      if (index > 0x7d)index = 0x31;

      // 暂停
      delay_ms(10);
}
}

3. 通过预定义宏实现日志分级输出
下面实现了两个级别的日志等级：

（1）log_utils.h
#ifndef __LOG_UTILS_H__
#define __LOG_UTILS_H__
#include "euart_utils.h"
#include <stdio.h>

// 发送缓冲区
extern U8 gUart0DataTxD[UART0_DATA_BUF_SIZE];
#define TAG gUart0DataTxD+log_len

// 日志等级
#define LOG_LEVEL_NONE 0
#define LOG_LEVEL_ERROR 1
#define LOG_LEVEL_INFO 2

// 判断预定义的宏 LOG_LEVEL

#if LOG_LEVEL >= LOG_LEVEL_INFO
/**
* INFO 级别日志
*/
#define LOGI(args) \
do {          \
      U8 log_len;  \
      log_len = sprintf(gUart0DataTxD, "[I] %s:%bd: ", __FILE__, __LINE__); \
      log_len += sprintf args;          \
      log_len += sprintf(gUart0DataTxD + log_len, "\n"); \
      Uart0_Transmit(log_len); \
} while (0)
#else
#define LOGI(args) (void)0
#endif

#if LOG_LEVEL >= LOG_LEVEL_ERROR
/**
* ERROR 级别日志
*/
#define LOGE(args) \
do {          \
      U8 log_len;  \
      log_len = sprintf(gUart0DataTxD, "[E] %s:%bd: ", __FILE__, __LINE__); \
      log_len += sprintf args;          \
      log_len += sprintf(gUart0DataTxD + log_len, "\n"); \
      Uart0_Transmit(log_len); \
} while (0)
#else
#define LOGE(args) (void)0
#endif

#endif

当在 Options 里设置 LOG_LEVEL=LOG_LEVEL_ERROR 时，INFO级别的日志将不会再输出：

（2）main.c
#include "SH79F9476.h"
#include "clk_utils.h"
#include "cpu.h"
#include "common_utils.h"
#include "isr_utils.h"
#include "log_utils.h"
#include <stdio.h>

// 发送缓冲区
void main() {
char index = 0x31;
// 选择高速时钟
highFrequenceClk();

enableAllIsr();
// 初始化串口
Uart0_Init();

while (1) {
      LOGI((TAG, "info(%bd) = %c",index, index));
      delay_ms(100);
      LOGE((TAG, "err(%bd) = %c",index, index));

      index++;
      if (index > 0x7d)index = 0x31;

      // 暂停
      delay_ms(100);
}
}

（3）运行效果

三、运行速度问题
由于串口输出一般较慢，在循环中快速输出日志时，会出现这样情况：前面的日志尚未通过串口输出结束、后面的日志又开始调用串口发送函数。

为了最大化利用起串口资源，可将缓冲区做成环形队列，后面要输出的内容直接放入缓冲区，这样可以动态调整缓冲区的大小，以适应快速调用的情况。

但仍需注意的是，单片机的资源有限，缓冲区大小不是可以随心所欲扩大的，另一方面串口速率也限制了发送速度的上限，调用日志的程序还是需要量力而行，避免过于快速输出。

另外，单片机运行在循环执行的程序中，经常有连续输出同样日志的情况，在调用时可以加些限制，防止重复输出相同数据。
下面是输出异常的情况示例：

下面是改写的程序，使用了环形队列，另外提高了波特率：

1. euart_utils.c
#include "intrins.h"
#include "euart_utils.h"
#include "api_ext.h"
#include "SH79F9476.h"
#include "cpu.h"
#include <stdio.h>
#include "string.h"

// 发送缓冲区
static U8 gUart0DataTxD[UART0_DATA_BUF_SIZE];
// 未发送数据长度
static U8 gUart0DataTxDLen;

// 内部变量，发送指针
static volatile U8 *ptr_tx0_head;

/**
* @brief 初始化串口
*/
void Uart0_Init() {
//=====TX 建议配置为输出H====
P3CR = 0x08;
P3 = 0x08;
// 配置Uart工作在模式1
select_bank1();
// 0110 0111 Tx:P3.3 Rx：P3.4
UART0CR = 0x67;
select_bank0();
SCON = 0x50;
/*配置波特率参数，波特率9600*/
/* 计算公式：(int)X=FSY/(16*波特率) ;  SBRT=32768-X  ; SFINE=（FSY/波特率）-16*X FSY=8M*/
// 波特率发生器高位
SBRTH = 0xFF;
// 波特率发生器低位
SBRTL = 0xF3;
// 波特率发生器微调
SFINE = 0x0;
// 使能串口中断
IEN0 |= 0x10;

ptr_tx0_head = &gUart0DataTxD[0];
}

/**
* @brief 发送缓冲区数据
*/
void Uart0_Transmit(U8 len) {

gUart0DataTxDLen = len;
SBUF = *ptr_tx0_head;
if (gUart0DataTxDLen > 0)
gUart0DataTxDLen--;
if (ptr_tx0_head >= &gUart0DataTxD[UART0_DATA_BUF_SIZE]) {
ptr_tx0_head = &gUart0DataTxD[0];
} else {
ptr_tx0_head++;
}

}
/**
* @brief 向gUart0DataTxD尾部添加数组,注意要考虑到如果添加的过长，就回到队列头部添加剩余部分
*/
void Uart0_Append_Bytes(const char *bytes, U8 len) {
U8 i  ,startIndex;
// 如果添加的长度超过缓冲区长度，就只添加缓冲区长度的数据
if (len > UART0_DATA_BUF_SIZE) {
      len = UART0_DATA_BUF_SIZE;
}
startIndex = ptr_tx0_head - &gUart0DataTxD[0] + gUart0DataTxDLen;
for (i = 0; i < len; i++) {
      gUart0DataTxD[startIndex] = bytes;
      startIndex++;
      // 如果添加的数据长度超过了缓冲区长度，就回到队列头部添加剩余部分
      if (startIndex == UART0_DATA_BUF_SIZE) {
         startIndex = 0;
      }
}
Uart0_Transmit(gUart0DataTxDLen+len);
}
/**
* @brief UART0中断
**/
void INT_EUART0(void) interrupt 4{
if(TI){
      TI = 0;
      if(gUart0DataTxDLen >0){
         SBUF = *ptr_tx0_head;
         gUart0DataTxDLen --;
         // 这里产生了一种情况，如果发送的数据长度超过了缓冲区长度，就会导致ptr_tx0指针超出范围
         if(ptr_tx0_head >= &gUart0DataTxD[UART0_DATA_BUF_SIZE]){
            ptr_tx0_head = &gUart0DataTxD[0];
         }else{
            ptr_tx0_head ++;
         }
      }
}
}

2. main.c
#include "SH79F9476.h"
#include "clk_utils.h"
#include "common_utils.h"
#include "isr_utils.h"
#include "log_utils.h"

// 发送缓冲区
void main() {
char index = 0x31;
// 选择高速时钟
highFrequenceClk();

enableAllIsr();
// 初始化串口
Uart0_Init();

while (1) {
      LOGI((TAG, "info(%bd) = %c",index, index));
      delay_ms(100);

      index++;
      if (index > 0x7d)index = 0x31;

      // 暂停
      delay_ms(20);
}
}

在主循环20ms暂停情况下可以稳定输出日志：

118256639858fb8c3c.png (15.86 KB )

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2024-5-7 09:36 上传

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