STM32中printf的重定向详解

STM32中printf的重定向详解

​ 在STM32裸机开发中，可以将C标准库中的printf（默认情况下，在嵌入式工程中printf底层是空实现，当启用了半主机模式后，printf的输出可以被转发到调试器在PC上的终端窗口显示。）重定向到串口以实现调试信息的打印输出。由于不同库的实现方式不同，导致需要重写的函数各异。

ARMCC (Keil MDK) 环境下的重定向

​ 对于ARM的 MicroLib（比如Keil MDK的默认库）、及部分嵌入式C库。 其printf是直接调用fputc方法逐字符输出。因此，要在此类嵌入式C库的环境下重定向printf就需要重写fputc这个方法。

int fputc(int ch, FILE *f)
{HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)&ch, 1, 100); // STM32 HAL示例return ch;
}

​ 以上是该类printf重定向的核心片段，当在代码中调用printf()时，其底层便会调用fputc，进而利用串口进行信息输出。当然，这么做是不够的，还需要在keil中启用Microlib.

​ 如图所示，需要勾选Use MicroLIB选项。因为使用MicroLIB可避免标准C库的半主机依赖，使 printf 能在无调试器环境下独立运行。
它提供轻量级I/O接口，只需重写 fputc 就可以方便地将输出重定向至串口。但是勾选微库在某些情况下会影响运行的性能。在不使用MicroLIB的情况下，我们可作如下修改来使重定向的printf成功运行：

#if 1
#if (__ARMCC_VERSION >= 6010050)            /* 使用AC6编译器时 */
__asm(".global __use_no_semihosting\n\t");  /* 声明不使用半主机模式 */
__asm(".global __ARM_use_no_argv \n\t");    /* AC6下需要声明main函数为无参数格式，否则部分例程可能出现半主机模式 */#else
/* 使用AC5编译器时, 要在这里定义__FILE 和 不使用半主机模式 */
#pragma import(__use_no_semihosting)
#endif

​ 首先，需要告诉编译器不要使用半主机模式，在这之后编译器便会寻找用户自定义的替代函数。

struct __FILE
{int handle;};
FILE __stdout;

​ 结构体 __FILE 和全局变量 FILE __stdout; 是标准C库中文件流的基础。这里我们只定义了一个空壳，这是为了防止 printf 等函数链接出错。

int _ttywrch(int ch)
{ch = ch;return ch;
}void _sys_exit(int x)
{x = x;
}char *_sys_command_string(char *cmd, int len)
{return NULL;
}

​ 当我们定义了__use_no_semihosting（也就是不使用半主机模式）后，就需要自己提供_ttywrch(int ch)，_sys_exit(int x)，_sys_command_string(char *cmd, int len)方法，否则就会出现链接失败。

• _ttywrch(int ch)：这也是底层的一个发送函数，但是此处我们并不使用他，所以给出一个无效实现。注意：他是ARM半主机模式中的一个函数。当你禁用半主机后，编译器/链接器要求这个符号必须存在。所以必须给予定义。
• _sys_exit(int x)：当程序结束时，这个方法会被调用。但是在嵌入式系统中，我们的主程序是不停止的，因此该方法我们也给予无效实现。
• _sys_command_string(char *cmd, int len)：该方法是处理与命令行相关的操作的，嵌入式环境下用不上，给予无效实现即可。

最终代码如下：

#if 1
#if (__ARMCC_VERSION >= 6010050)           
__asm(".global __use_no_semihosting\n\t"); 
__asm(".global __ARM_use_no_argv \n\t");    #else
#pragma import(__use_no_semihosting)
#endifstruct __FILE
{int handle;};
FILE __stdout;int _ttywrch(int ch)
{ch = ch;return ch;
}void _sys_exit(int x)
{x = x;
}char *_sys_command_string(char *cmd, int len)
{return NULL;
}int fputc(int ch, FILE *f) {(void)f;HAL_USART_Transmit(&husart1, (uint8_t*)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);return ch;}
#endif

​ 如上，便是在不使用Keil中MicroLIB的情况下独立运行重定向的printf的方法。

GCC (STM32CubeIDE/ARM GCC) 环境下的重定向

​ 当使用GCC作为编译工具链时(如STM32CubeIDE)，其printf底层是调用_write()这个方法来进行输出的。所以需要重写_write方法来进行串口重定向。

#if defined(__GNUC__)
int _write(int fd, char *ptr, int len)
{HAL_USART_Transmit(&husart1, (uint8_t *)ptr, len, HAL_MAX_DELAY);return len;
}
#endif

以上是_write()方法的新实现，将_write方法实现后，只需要包含C标准的输入输出头文件后，便可调用printf利用串口进行打印。

可以发现GCC编译环境下不用在意半主机模式，这是因为GCC的Newlib-Nano库本身设计时就已经考虑了嵌入式环境，通常默认不依赖半主机模式，所以我们一般只需要重写 _write 即可。这与ARM编译器默认依赖半主机模式的行为不同。

当然该重定向并没有完整，此时是无法打印浮点数的，如果要让 printf 输出 %f 浮点数，需要在链接时加上 -u _printf_float。

​ 当然凡事并不绝对，GCC环境下不用管半主机的说法也是要分情况的，在现代的工具链和IDE中，大部分情况下确实不需要显式处理。在出现特定的配置时，可能仍需要处理半主机的情况。所以在GCC环境下时，建议先从最简的重写_write()开始，若无法解决再一步步添加相关系统调用实现。

总结

• Keil MDK：优先使用 MicroLib 并重写 fputc 是最简单的方法。若不能使用
  MicroLib，则需禁用半主机模式并实现一系列桩函数。
• GCC (CubeIDE等)：核心是重写 _write 函数。如需打印浮点数，记得添加 -u _printf_float 链接器标志。

核心思想其实都是将标准库的底层输出函数映射到硬件串口驱动上。