STM32編程中printf函數重定向背后的原理

在C語言中，printf是一個非常好用的函數，尤其是在程序調試階段，我們可以通printf打印變量的值來幫助查錯。在學習C語言的時候我們的開發環境和運行環境都是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發時，即使目標機器上有LCD屏幕，直接使用printf函數也是觀察不到結果的。這時有經驗的工程師一般都會通過重定向printf函數來將printf的定向到串口，再通過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。實際操作很簡單，總共分為3步：

1.在工程設置中開啟Use MicroLIB選項:

2.在代碼中實現自定義的fputc函數，其函數原型為 int fputc(int c, FILE *stream)。printf函數底層是通過調用fputc函數來實現字符輸出的，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

　　經過以上3個步驟，STM32的USART3已經能夠通過printf打印輸出了，效果如下：

測試代碼

printf實際輸出效果

　　可以看到，要想在STM32開發中實現printf重定向在操作上很簡單。但其背后的原理又是什么？我們知道C語言是不支持函數重定義語法的，如果我們自己在同一作用域下定義2個同名函數編譯是必然報錯的。為什么我們可以重定義fputc函數而不會和函數庫中原有的fputc發生沖突呢？要解釋這個問題，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：如果一個符號在某個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。比如目標文件A定義全局變量global為int型，占4個字節；目標文件B定義global為doulbe型，占8個字節，那么目標文件A和B鏈接后，符號global占8個字節（盡量不要使用多個不同類型的弱符號，否則容易導致很難發現的程序錯誤）。

　　在函數庫中默認的fputc函數就是通過"__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：強弱符號的鏈接特性是由鏈接器決定的，并不是C語言語法本身的特性。所以如果使用的是不同的編譯工具鏈，這個特性不一定存在?？吹竭@里，想必大家已經清楚STM32編程中printf重定向背后的原理了。