STM32編程中printf函數重定向背后的原理

在C語(yǔ)言中，printf是一個(gè)非常好用的函數，尤其是在程序調試階段，我們可以通printf打印變量的值來(lái)幫助查錯。在學(xué)習C語(yǔ)言的時(shí)候我們的開(kāi)發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境都是PC機，printf函數打印到PC機的屏幕上是順理成章的事。但當我們在做嵌入式開(kāi)發(fā)時(shí)，即使目標機器上有LCD屏幕，直接使用printf函數也是觀(guān)察不到結果的。這時(shí)有經(jīng)驗的工程師一般都會(huì )通過(guò)重定向printf函數來(lái)將printf的定向到串口，再通過(guò)USB轉TTL等工具從目標主機的串口上讀取數據流到電腦。

　　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(jiǎn)單，總共分為3步：

1.在工程設置中開(kāi)啟Use MicroLIB選項:

2.在代碼中實(shí)現自定義的fputc函數，其函數原型為 int fputc(int c, FILE *stream)。printf函數底層是通過(guò)調用fputc函數來(lái)實(shí)現字符輸出的，所以我們只需對fputc函數重定義即可。本例中將printf重定向到STM32的USART3，所以函數中用到的寄存器是USART3->SR:

添加自定義的fputc函數

3.最后一步，初始化USART3，使能輸出。初始化函數：

USART3初始化函數

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

測試代碼

printf實(shí)際輸出效果

　　可以看到，要想在STM32開(kāi)發(fā)中實(shí)現printf重定向在操作上很簡(jiǎn)單。但其背后的原理又是什么？我們知道C語(yǔ)言是不支持函數重定義語(yǔ)法的，如果我們自己在同一作用域下定義2個(gè)同名函數編譯是必然報錯的。為什么我們可以重定義fputc函數而不會(huì )和函數庫中原有的fputc發(fā)生沖突呢？要解釋這個(gè)問(wèn)題，就要引入新的概念：“強符號”、“弱符號”。在gcc編譯器中使用 "__attribute__((weak)) " 修飾的函數或變量屬于弱符號，否則就是強符號。關(guān)于"強符號"和"弱符號"，有以下規則：

• 規則1：不允許強符號被多次定義（即不同的目標文件中不能有同名的強符號）；如果有多個(gè)強符號定義，則鏈接器報符號重復定義錯誤。

• 規則2：如果一個(gè)符號在某個(gè)目標文件中是強符號，在其他文件中都是弱符號，那么選擇強符號。

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

　　在函數庫中默認的fputc函數就是通過(guò)"__attribute__((weak)) " 修飾的弱符號函數。所以在我們重定義了fputc函數后，編譯器就選擇了我們定義的fputc函數進(jìn)行鏈接。我們定義的fputc函數將字符輸出到USART3，printf函數在底層調用了fputc函數，因此printf的輸出便重定向到了USART3。如果你愿意，你也可以將printf函數重定向到SPI等外設輸出，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)：強弱符號的鏈接特性是由鏈接器決定的，并不是C語(yǔ)言語(yǔ)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?？吹竭@里，想必大家已經(jīng)清楚STM32編程中printf重定向背后的原理了。