单片机基础——重定向printf输出到串口输出的多种方法

NB的老王 发表于 2019/12/13 17:05:08 2019/12/13
【摘要】 本文详细的介绍了如何重定向printf输出到串口输出的多种方法,包括调用MDK微库(MicroLib)的方法,调用标准库的方法,以及适用于 GNUC 系列编译器的方法。1.printf与fputc对于 printf 函数相信大家都不陌生,第一个C语言程序就是使用 printf 函数在屏幕上的控制台打印出Hello World,之后使用 printf 函数输出各种类型的数据,使用格式控制输出各...

本文详细的介绍了如何重定向printf输出到串口输出的多种方法,包括调用MDK微库(MicroLib)的方法,调用标准库的方法,以及适用于 GNUC 系列编译器的方法。

1.printf与fputc

对于 printf 函数相信大家都不陌生,第一个C语言程序就是使用 printf 函数在屏幕上的控制台打印出Hello World,之后使用 printf 函数输出各种类型的数据,使用格式控制输出各种长度的字符,甚至输出各种各样的图案。

除此之外,在程序出错的时候,懒得调试,直接简单粗暴的加个 printf 找bug,有时候也不失为一种有效的方法。

对于已经习惯的 printf 函数,你了解多少呢?

printf 定义在 stdio.h头文件中,如下:

int printf(const char *format, ...);

printf 函数根据 format 字符串给出的格式打印输出到 stdout(标准输出)中,当然,printf 函数是不会一个字符一个字符去输出,它会调用更底层的 I/O 函数:fputc去逐个字符打印

fputc 也定义于头文件 stdio.h中,如下:

int fputc(int ch, FILE *stream);

fputc 函数写入字符 ch 到给定输出流 stream,printf函数在调用该函数时,会向stream参数传入stdout从而打印数据到标准输出。

那么,要实现printf打印到串口就变得非常简单了,只需要重新定义fputc函数,在fputc的函数中将数据通过串口发送,称之为:fputc重定向或者printf重定向。

2.在MDK中使用MicroLib重定向printf

勾选Use MicroLib

MicroLib是对标准C库进行了高度优化之后的库,供MDK默认使用,相比之下,MicroLIB的代码更少,资源占用更少:

mark

重定义fputc到串口

重新实现fputc函数,编写代码将这个字符通过串口发送,因为发送每个字符时都会调用该函数,所以为了效率,不再调用库函数 HAL_UART_Transmit 发送,而是直接操作寄存器发送。

  • 检测串口当前状态

STM32L431的USART串口外设有一个 ISR 寄存器,全名 Interrupt and status register, 用来指示当前串口的状态,如图:

mark

其中 BIT6 TC用来指示当前串口是否发送完成,如图:

mark

可以通过判断该位来判断串口当前是否处于发送状态,代码如下:

while((USART1->ISR & 0X40) == 0);
  • 串口发送字符ch

同样,为了提高发送效率,直接使用寄存器来操作:

USART1->TDR = (uint8_t) ch;

最后实现fputc函数就变的非常简单了,这里我放在`usart.c`文件的末尾:

/* USER CODE BEGIN 1 */
#if 1
#includeint fputc(int ch, FILE *stream)
{
    /* 堵塞判断串口是否发送完成 */
    while((USART1->ISR & 0X40) == 0);

    /* 串口发送完成,将该字符发送 */
    USART1->TDR = (uint8_t) ch;

    return ch;
}
#endif

/* USER CODE END 1 */

测试printf

在main函数中测试一下printf函数是否可以正常使用:

/* USER CODE BEGIN 2 */
printf("Hello, i am %s\n", "mculover666");
printf("Test int: i = %d", 100);
printf("Test float: i = %f", 1.234);
printf("Test hex: i = 0x%2x",100);
/* USER CODE END 2 */

结果如下:

mark

3.在MDK中使用标准库重定向printf

printf 函数使用了半主机模式,所以直接使用标准库会导致程序无法运行,因此必须提前告知编译器不使用半主机模式:

  • 不使用半主机模式

    /* 告知连接器不从C库链接使用半主机的函数 */
    #pragma import(__use_no_semihosting)
/* 定义 _sys_exit() 以避免使用半主机模式 */
void _sys_exit(int x)
{
    x = x;
}

所以,重定向fputc()函数完整的代码如下:

#if 1

/* 告知连接器不从C库链接使用半主机的函数 */
#pragma import(__use_no_semihosting)

/* 定义 _sys_exit() 以避免使用半主机模式 */
void _sys_exit(int x)
{
    x = x;
}

/* 标准库需要的支持类型 */
struct __FILE
{
    int handle;
};

FILE __stdout;

/*  */
int fputc(int ch, FILE *stream)
{
    /* 堵塞判断串口是否发送完成 */
    while((USART1->ISR & 0X40) == 0);

    /* 串口发送完成,将该字符发送 */
    USART1->TDR = (uint8_t) ch;

    return ch;
}

#endif

测试printf

测试printf函数的代码不变,在MDK设置中取消勾选USE MICROLIB,然后重新编译,下载代码后试验现象如下:

mark

4.在GCC中使用标准库重定向printf

不同的编译器对于C库的底层实现机制是不同的,所以上面两种在MDK中的实现方法,在使用Gcc编译器的时候是不可行的。

在Gcc中重定向printf函数时注意两个关键点:

  • 与重定义fputs()函数一样,在使用Gcc编译器的时候,需要重新定义_write函数;

  • Gcc中没有MicroLib,只能使用标准库;

所以重定向printf函数的代码如下:

/* USER CODE BEGIN 1 */
#if 1

int _write(int fd, char *ptr, int len)  
{  
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)ptr, len, 0xFFFF);
  return len;
}
#endif
/* USER CODE END 1 */

使用STM32CubeMX生成makefile,然后使用arm-none-eabi-gcc编译没有问题,再使用STM32 ST-LINK utility 下载后实验现象如下:

mark

至此,我们已经学会实现printf()函数的多种方法,下一节将讲述如何使用ADC读取MQ-2气体传感器的值。


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