[導(dǎo)讀] 大家好，我是逸珺。

前面說會(huì)寫一下Modbus-RTU的實(shí)現(xiàn)，寫了1000多字了，有興趣的稍等一下哈。前面在一個(gè)群里看到一個(gè)朋友在一個(gè)串口接收中斷里打印遇到了問題，今天聊下這個(gè)話題。

扒一扒printf

對(duì)于單片機(jī)中printf到底向哪里打印，這個(gè)不同的編譯器會(huì)有不同的處理方式。比如IAR的printf，如果是在線調(diào)試，有可能通過c-spy打印到IAR的調(diào)試終端，如果已經(jīng)將printf重映射到串口，那么會(huì)從指定的串口打印出去。

以IAR ARM開發(fā)環(huán)境為例，來擼一下printf背后究竟是怎么實(shí)現(xiàn)的：

首先寫一個(gè)簡(jiǎn)單的hello world開始：

#include?<stdio.h> int?main() {printf("Hello?world");return?0; }

接著來查找一下printf的出處，在stdio.h中找到了其聲明：

__EFF_NW1??__ATTRIBUTES?? void?perror(const?char?*); __EFF_NW1??__DEPREC_PRINTF?int??printf(const?char?*_Restrict,?...); __EFF_NW1??__ATTRIBUTES?? int? puts(const?char?*); __EFF_NW1??__DEPREC_SCANF??int??scanf(const?char?*_Restrict,?...); __EFF_NR1NW2?__DEPREC_PRINTF int??sprintf(char?*_Restrict,??????????????????????????????????????????????const?char?*_Restrict,?...); __EFF_NW1NW2?__DEPREC_SCANF?int??sscanf(const?char?*_Restrict,?

到這里好像無法再進(jìn)行下去了，先看看map文件，這里只放了map的一部分：

dl7M_tln.a:?[3]XShttio.o?????60??3??9abort.o??? ???6exit.o?? ?????4low_level_init.o ??4printf.o?? ??40putchar.o? ??32xfail_s.o? ????64????????1????????4xprintffull_nomb.o?? 3?618xprout.o?? 22-------------------------------------------------Total:???????3?850????????4???????13...... printf??0x00001be9???0x28??Code??Gb??printf.o?[3] putchar? 0x00001c6d???0x20??Code??Gb??putchar.o?[3]

看到了有一個(gè)printf.o模塊被編譯了，有這個(gè)文件，那么應(yīng)該有源文件，試著在IAR的安裝目錄下找找，果然有：

.\IAR Systems\Embedded Workbench 8.0\arm\src\lib\dlib\file\printf.c

int?printf(const?char?*?_Restrict?fmt,?...) {?/*?print?formatted?to?stdout?*/int?ans;va_list?ap;??va_start(ap,?fmt);ans?=?_Printf(&_Prout,?(void?*)1,?fmt,?&ap,?0);va_end(ap);return?ans; }

printf通過使用va_list/va_start/va_end，在這里進(jìn)行可變參數(shù)的解析，而真正實(shí)現(xiàn)最終打印的函數(shù)是哪一個(gè)呢？是下面這句話在起作用：

_Printf(&_Prout,?(void?*)1,?fmt,?&ap,?0);

_Printf的原型是怎樣的呢？在.\IAR Systems\Embedded Workbench 8.0\arm\src\lib\dlib\DLib.h中發(fā)現(xiàn)：

__ATTRIBUTES?int?_Printf(_PrintfPfnType?*,?void?*,?const?char?*,?__Va_list?*,int);

_PrintfPfnType這個(gè)是啥玩意？繼續(xù)擼下去：

#if?_DLIB_PRINTF_CHAR_BY_CHARtypedef?void?*(_PrintfPfnType)(void?*,?char); #elsetypedef?void?*(_PrintfPfnType)(void?*,?const?char?*,?_Sizet); #endif

明白了，這個(gè)是一個(gè)函數(shù)指針，根據(jù)打印方式是否是逐字符打印，函數(shù)指針分了兩種模式：逐字符模式或者緩沖區(qū)模式。

在回到printf的定義處，發(fā)現(xiàn)這個(gè)指針傳的是_Prout。好接著扒下去，在

.\arm\src\lib\dlib\formatters\xprout.c發(fā)現(xiàn)了其具體的實(shí)現(xiàn)：

#if?_DLIB_PRINTF_CHAR_BY_CHAR void?*_Prout(void?*str,?char?c) {return?(putchar(c)?==?c???str?:?0); } #else#if?_DLIB_FILE_DESCRIPTORvoid?*_Prout(void?*str,?const?char?*buf,?size_t?n){return?fwrite(buf,?1,?n,?stdout)?==?n???str?:?0;}#elsevoid?*_Prout(void?*str,?const?char?*buf,?size_t?n){return?__write(_LLIO_STDOUT,?(unsigned?char?const?*)buf,?n)?==?n???str?:?0;}#endif #endif

_DLIB_PRINTF_CHAR_BY_CHAR 宏是根據(jù)IAR的DLIB配置做定義。

所以IAR編譯的時(shí)候會(huì)包含DLib_Defaults.h，這里就定義了逐字符模式宏，如果要采用文件方式則需要修改配置。但是一般單片機(jī)里不會(huì)這么干。所以真正的 _Prout的實(shí)現(xiàn)就是這樣的了：

void?*_Prout(void?*str,?char?c) {return?(putchar(c)?==?c???str?:?0); }

這樣就定位到最終實(shí)現(xiàn)字符打印的函數(shù)是putchar了，而putchar是在哪里聲明的呢？在stdio.h中發(fā)現(xiàn)了它的蹤跡：

__ATTRIBUTES?int??putchar(int);

來了一個(gè)好像沒見過的函數(shù)前綴，再繼續(xù)找一下，在.\arm\inc\c\yvals.h中找到了

#define?__ATTRIBUTES??__intrinsic?__nounwind

這兩個(gè)關(guān)鍵字是編譯內(nèi)部使用的，文檔里沒有說明這個(gè)是怎么使用的，但是我猜想編譯器在編譯時(shí)可能會(huì)檢測(cè)這個(gè)函數(shù)是否用戶定義了同名函數(shù)，如定義了就使用用戶定義的，沒定義就使用系統(tǒng)庫(kù)。放一個(gè)空的putchar來驗(yàn)證一下：

#include?<stdio.h> int?putchar(int?c) {return(c); }int?main() {printf("Hello?world");return?0; }

然后再看看map文件：

dl7M_tln.a:?[3]abort.o?????????6exit.o??????????4low_level_init.o??? 4printf.o?????????40xfail_s.o?????? 64????4xprintffull_nomb.o???3?618xprout.o????????22------------------------------------------------Total:???????3?758???4.......putchar???0x00001bbd????0x2??Code??Gb??main.o?[1]???

putchar使用了main.o的實(shí)現(xiàn)。而如果使用庫(kù)實(shí)現(xiàn)的，從前面的map文件看到putchar.o，一找發(fā)現(xiàn)了putchar.c文件：

int?putchar(int?c) {?/*?put?character?to?stdout?*/unsigned?char?uc?=?c;if?(__write(_LLIO_STDOUT,?&uc,?1)?==?1){return?uc;}return?EOF; }

系統(tǒng)原來是調(diào)用了__write函數(shù)，在.\IAR Systems\Embedded Workbench 8.0\arm\inc\c\LowLevelIOInterface.h中找到了：

?__ATTRIBUTES?size_t?__write(int,?const?unsigned?char?*,?size_t);

到這里不繼續(xù)了，你如果再找就發(fā)現(xiàn)

.\8.0\arm\RTOS\SEGGER\NXP\LPC4357\Start_LPC4357_CMSIS\Setup\SEGGER_RTT_Syscalls_IAR.c

有它的實(shí)現(xiàn)：

size_t?__write(int?handle,?const?unsigned?char?*?buffer,?size_t?size)?{(void)?handle;??/*?Not?used,?avoid?warning?*/SEGGER_RTT_Write(0,?(const?char*)buffer,?size);return?size; }

其實(shí)就是各種底層具體輸出的實(shí)現(xiàn)了，比如打印到c-spy，或者打印到串口。

比如在：

.\8.0\arm\src\flashloader\ST\FlashSTM32F10x\Flash_stm32f10xx.c

int?putchar(int?c) {USART1->DR?=?c;while(0?==?(USART1->SR?&?(1UL?<<?7)));return(c); }

這就是printf重映射到串口的實(shí)現(xiàn)，這個(gè)是一個(gè)同步查詢單字節(jié)串口輸出函數(shù)。大致就上面的分析，總結(jié)成一個(gè)圖就是這樣：

當(dāng)然這里僅僅分析了逐字符打印的串口的情況。下面回到問題本身，為什么中斷里不能調(diào)用printf？

為啥ISR不能printf

慢

首先中斷里肯定不適合調(diào)用printf，那么為什么呢？就比如上面的串口實(shí)現(xiàn)方式，就以9600，1個(gè)起始位，1個(gè)停止位，8個(gè)數(shù)據(jù)位的常見方式為例：

你看，傳輸一個(gè)字節(jié)要1個(gè)毫秒，如果打印好幾個(gè)字節(jié)就是好幾個(gè)毫秒了，所以答案幾乎就已經(jīng)很清楚了，在中斷函數(shù)里打印，會(huì)增加中斷函數(shù)執(zhí)行的時(shí)間。中斷需要快進(jìn)快出！比如是一個(gè)串口逐字節(jié)接收中斷函數(shù)，外部的報(bào)文逐字節(jié)輸入，而中斷函數(shù)先打印一點(diǎn)日志，好幾個(gè)毫秒就過去了。如果UART外設(shè)是一個(gè)單字節(jié)的接收寄存器，那完了，報(bào)文指定被沖掉了。有的UART可能有多字節(jié)FIFO，但是即便是這樣，也有很大的概率會(huì)被沖掉。

這是一個(gè)中斷里不能調(diào)用printf的主要原因，執(zhí)行費(fèi)時(shí)！

在IAR的文檔里也闊以看到，如果要實(shí)現(xiàn)printf的重定向，需要用戶實(shí)現(xiàn)底層的__write函數(shù)，那為啥前面又是實(shí)現(xiàn)的putchar呢，其實(shí)putchar最終是調(diào)用的__write函數(shù)，所以直接覆蓋putchar肯定也是可以的。

大

另外如果編譯環(huán)境配置printf不一樣，這個(gè)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)也可能需要很多的存儲(chǔ)空間。這對(duì)單片機(jī)而言也是不合算的。來比較一下，把printf去掉：

int?main() {return?0; }

編譯出來的結(jié)果是：

????152?bytes?of?readonly??code?memory1024?bytes?of?readwrite?data?memory

加上后，編譯出來是這樣：

??7470?bytes?of?readonly??code?memory34?bytes?of?readonly??data?memory1037?bytes?of?readwrite?data?memory

看就這么一句printf，code區(qū)增加了近7K字節(jié)！當(dāng)然如果你選擇其他的printf配置，可能會(huì)小一些，比如：

不同的單片機(jī)編譯器對(duì)printf的處理會(huì)不相同，具體可以查查相關(guān)文檔。

不安全

這個(gè)printf內(nèi)部再很多編譯環(huán)境下，有可能是線程安全的。如果函數(shù)實(shí)現(xiàn)內(nèi)部有加鎖，在應(yīng)用程序中調(diào)用了printf，但還沒有執(zhí)行完。但此時(shí)中斷來了，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷，中斷時(shí)是無法獲取這個(gè)鎖的，此時(shí)程序就掛了。

解決辦法

可以自己實(shí)現(xiàn)一個(gè)print系統(tǒng)，開辟一個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)。如果想在中斷里打印一點(diǎn)數(shù)據(jù)，不要同步打印，先將數(shù)據(jù)打印到內(nèi)存，再設(shè)置一個(gè)標(biāo)志，然后再中斷外面實(shí)現(xiàn)真正的串口輸出。

• 如果是裸機(jī)程序，只需要在主循環(huán)里檢測(cè)緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)，有就輸出到真正的串口。

• 如果是RTOS應(yīng)用，可以開辟一個(gè)任務(wù)，將優(yōu)先級(jí)設(shè)的低一點(diǎn)，在任務(wù)內(nèi)管理這個(gè)緩沖區(qū)，如果有數(shù)據(jù)就輸出到串口。需要注意的是，就如前面所說，調(diào)用接口是不能加鎖的，否則就不能在中斷里使用。

有了這個(gè)思路，要實(shí)現(xiàn)就不難了。

—END—

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的扒一扒中断为什么不能调printf的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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