2019年09月10日 | 基于STM32从零写操作系统系列---将printf指向串口输出

为什么需要printf？

首先，这个printf不是标准C中的printf，这个printf是自己参考标准库实现的。只是简单地完成了打印输出int，long long int， unsigned int， unsigned long long int， float， double和十六进制数等功能。主要用于在以后的学习中，输出变量、寄存器等的数据，便于调试程序。

1.函数调用中的参数传递

根据《Procedure Call Standard for the ARM ® Architecture》（文章结尾有下载分享）这个文档可知，标准规定在寄存器（r0-r3）和堆栈中传递参数。对于采用少量参数的子程序，仅使用寄存器，大大减少了调用的开销。还有就是，char，short，int这些类型的数据入栈时，会占用4字节的空间；long long int，double等的8字节数据入栈时，只会放置到8字节对齐的地址上。下面通过反汇编查看参数传递的过程：

C语言调用过程:

反汇编：

 先了解test_func1函数的参数（long long int a1, ...）中的“...”省略号，它表示这是一个可变参数列表。用于表示将来调用该函数时，可能会传递除参数a1以外的一个、两个或多个的参数给test_func1函数。那么如何获取可变参数列表中的参数呢？经过上面的标准文档说明和反汇编代码的分析，然后参照网上的一些分享，用以下的方法获取可变参数列表：

自定义va_list类型，typedef char *va_list。其实就是一个指向char类型的指针，void类型的指针void *应该更合理（没试过）。va_list指针用于指向可变参数列表中的不同类型的参数。

定义宏va_start(ap,v),ap就是va_list类型的变量，v就是靠近可变参数列表左边的第一个参数（这里是a1参数）；这个宏的目的就是用a1变量在栈中的地址初始化va_list类型的ap指针，让它指向可变参数列表中的第一个参数（这里是a2）。

定义宏va_arg(ap,t),ap就是va_list类型的变量，已通过va_start（ap，v）初始化；t就是要获取的参数的类型，如在这里要获取a2参数，就是va_arg(ap，int)；这个宏的作用是首先用sizeof（t）判断要获取的参数的类型t的大小，如果是小于等于4字节，就按4字节大小在栈中取值，如果大于4字节（在这里就默认为8字节），就需要判断ap指针是否在8字节对齐的地址上，如果是就直接在当前位置取8字节数据，ap=ap+8指向下一个数据，如果不是，ap就需要ap=ap+4加4到达8字节对齐的地址上取8字节数据，ap=ap+8再加8指向下一个数据。

定义宏va_end（ap），ap就是va_list类型的变量，这个宏用于销毁ap指针，就是出于安全让指针指向0地址处（相当于NULL指针）。

定义宏_INTSIZEOF(n)，n是数据类型，源于计算4字节对齐。

通过定义了上面的宏，我们就可以在test_func1函数中使用这些宏去获取可变参数列表中的参数了。用法如下：

 2.printf实现

printf的实现就是需要用到可变参数列表，定义好上面的宏后，就需要开始写如何格式化输出信息了。所谓的格式化，可以简单理解为在一串字符串中使用占位符表示将要输出的数据，如“a = %drn”,%d就相当于占位符，表示这个位置将用一个十进制有符号整型数据（int）来代替。

怎么实现呢？其实就是通过读取格式化字符串中的每个字符，当读取到%百分号时，再读取%百分号的下一个字符，判断是什么字符，如‘d’这个字符表示将数据转换为十进制后输出。本次实验的printf只实现了一下几种格式输出：

 1.十进制整型输出（包括d,u,ld,lu）

首先就是就是计算这个十进制数有几位，如123，很明显有3位，代码实现如下：

“/”斜杠表示求除法中的商，如123除以10的商为12，余数为3

例如，s32_tmp = 123；第一次计算，123除以10的商为12，即s32_tmp = 12,count = 1;第二次计算，12除以10的商为1，即s32_tmp = 1,count = 2;第三次计算，1除以10的商为0，即s32_tmp = 0,count = 3。此时s32_tmp=0，退出while循环。求得count=3，即表示123这个数有3位。

然后，从高位到低位输出十进制数，代码如下：

 “%”百分号表示除法中求余数，如123除以10的商为12，余数为3

pow_10()这个函数用于求10的n次方，如pow_10(2)返回10的2次方100的值。这里需要注意pow_10()的返回值定义为long long int类型，否则在格式化长整型（ld,lu）时会出错。

myputc(),用于串口输出一个字符。

例如，s32_tmp = 123；输出第一个字符，123除以10的2次方，商为1，余数23，即c = 1,s32_tmp = 23,c + ‘0’表示1加0的ascii码0x30，就是1的ascii码0x31，然后串口输出0x31,这会在串口调试助手中显示字符1。以后的输出也是相似的，直到count为0，退出while循环。

注意，如果s32_tmp = -123，求得的c的值也是负的，在myputc()中就需要用‘0’-c,才能输出正确的字符。

2.十六进制输出

输出十六进制与输出十进制差不多，只是一个除以16，一个除以10。代码如下：

3.浮点输出

将浮点数分成整数部分和小数部分，整数部分的处理如上面说明的；小数部分通过将小数乘以10，再强制类型转换为long long int类型（这里需要小心强制类型转换后，数据的变化；由于float（例外，转换后为64位）和double都是64位，刚开始是转换为char类型的，后来成就出错了，应该是符号位在转换时改变了，导致出错），如，-0.1234乘以10得-1.234，转换后为-1。负浮点数输出代码实现如下：

 4.回车，换行

3.串口字符输出函数

如何初始化串口，请看基于STM32从零写操作系统系列---基于寄存器写串口驱动，这里有详细的步骤。或参考文章结尾分享的源代码，会有所不同，但原理一样。

字符输出函数代码实现如下：

4.效果

5.代码编译

这里解释一些自己定义的编译指令：

printf功能，我是通过编译成库来提供的，所以首先要编译库命令，在项目根目录printf_proj输入make mylib编译库

清除库的.o文件，make clean_libobj

make编译项目

make all_clean,用于清除所有编译后得到的文件，包括库

make clean,清除所有编译后得到的文件，除lib文件夹下的文件

6.小结 

printf的功能基本实现了，代码比较粗糙，还可以进行修改；实现的方法，我就想到这种，如有其它好方法请介绍给我！！下面有源代码分享和arm文档分享，以及串口调试工具。

源代码包文件名：printf_proj.zip

百度云分享：

链接：https://pan.baidu.com/s/1DlzYMo8oZsnF9ammJuuZoQ 

提取码：dc5h