STM32學習筆記——printf

2020 年 6 月 9 日
筆記
STM32

printf複習

當我們寫printf("%d\n", 1);的時候，printf函數並不能通過C語言語法得知第二個參數是int類型。printf是一個變參函數（variadic function）：

int printf(const char *restrict format, ...);

參數的類型都是通過格式串format推導出的。如果參數類型與格式串中指定的不匹配，或提供的參數數量少於需要的，將導致未定義行為。

由於參數類型是動態的，printf和scanf比靜態類型的std::cout和std::cin慢，前提是後者的眾多overhead被手動消除。

C為可變參數提供了va_start、va_arg、va_copy、va_end、va_list等工具，定義在頭文件<stdarg.h>中。va_arg用於取出參數，va_copy用於拷貝參數供多次使用。引用cppreference上的例子：

#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
#include <math.h>
 
double sample_stddev(int count, ...) 
{
    /* Compute the mean with args1. */
    double sum = 0;
    va_list args1;
    va_start(args1, count);
    va_list args2;
    va_copy(args2, args1);   /* copy va_list object */
    for (int i = 0; i < count; ++i) {
        double num = va_arg(args1, double);
        sum += num;
    }
    va_end(args1);
    double mean = sum / count;
 
    /* Compute standard deviation with args2 and mean. */
    double sum_sq_diff = 0;
    for (int i = 0; i < count; ++i) {
        double num = va_arg(args2, double);
        sum_sq_diff += (num-mean) * (num-mean);
    }
    va_end(args2);
    return sqrt(sum_sq_diff / count);
}
 
int main(void) 
{
    printf("%f\n", sample_stddev(4, 25.0, 27.3, 26.9, 25.7));
}

<stdio.h>還定義了vprintf系列函數，與不帶v的相比，可變參數...都換成了va_list的實例：

int vprintf(const char *format, va_list vlist);

可以藉此實現自己的printf。

可變參數在傳遞的過程中會被執行默認參數提升（default argument promotion），對於整數類型執行整數提升（提升為int或unsigned int），對於float類型提升成double。

格式串format中的普通字元直接拷貝到輸出流，由%引導的稱為轉換格式（conversion specification），在%和轉換說明符（conversion specifier）之間可以有若干修飾符，實現對齊、精度等功能，轉換說明符有c、s、d、f等，詳見cppreference。

UART實現

單片機開發板並沒有可以用於輸出的控制台，printf調用最後都會歸結為_write函數：

int _write(int file, char* ptr, int len);

_write函數需要把ptr指向的len位元組的數據以想要的形式發送，在此就沿用上一篇中的UART非同步IO，於是printf就可以列印在串口上了。

為了方便日後使用，我把USART相關的程式碼抽離出來放在一個新的源文件里，IDE生成的程式碼去掉MX_USART1_UART_Init和USART1_IRQHandler兩個函數，再加上這一對文件就可以使用了。

usart1.h：

#include <stdio.h>

void MX_USART1_UART_Init();
void usart1_transmit(char c);
char usart1_receive();

usart1.c：

#include "usart1.h"

#include <stdbool.h>
#include <stdint.h>
#include <stdlib.h>
#include "cmsis_gcc.h"
#include "stm32f4xx_hal.h"

typedef char queue_element_t;

typedef struct
{
  uint16_t mask;
  uint16_t head;
  uint16_t tail;
  queue_element_t data[0];
} queue_t;

static inline queue_t* queue_create(uint16_t _size)
{
  if (_size & (_size - 1))
    _size = 256;
  queue_t* q = malloc(sizeof(queue_t) + _size * sizeof(queue_element_t));
  if (q)
  {
    q->mask = _size - 1;
    q->head = q->tail = 0;
  }
  return q;
}

static inline bool queue_empty(const queue_t* _queue)
{
  return _queue->head == _queue->tail;
}

static inline uint16_t queue_size(const queue_t* _queue)
{
  return (_queue->tail - _queue->head) & _queue->mask;
}

static inline uint16_t queue_capacity(const queue_t* _queue)
{
  return _queue->mask;
}

static inline queue_element_t queue_peek(const queue_t* _queue)
{
  return _queue->data[_queue->head];
}

static inline void queue_push(queue_t* _queue, const queue_element_t _ele)
{
  _queue->data[_queue->tail] = _ele;
  _queue->tail = (_queue->tail + 1) & _queue->mask;
}

static inline void queue_pop(queue_t* _queue)
{
  _queue->head = (_queue->head + 1) & _queue->mask;
}

extern UART_HandleTypeDef huart1;
extern void Error_Handler();
queue_t* tx_buffer;
queue_t* rx_buffer;

void USART1_IRQHandler()
{
  uint32_t isrflags   = USART1->SR;
  uint32_t cr1its     = USART1->CR1;
  uint32_t errorflags = 0x00U;
  errorflags = (isrflags & (uint32_t)(USART_SR_PE | USART_SR_FE | USART_SR_ORE | USART_SR_NE));
  if (errorflags == RESET)
  {
    if (((isrflags & USART_SR_RXNE) != RESET) && ((cr1its & USART_CR1_RXNEIE) != RESET))
    {
      queue_push(rx_buffer, USART1->DR);
      return;
    }
    if (((isrflags & USART_SR_TXE) != RESET) && ((cr1its & USART_CR1_TXEIE) != RESET))
    {
      USART1->DR = queue_peek(tx_buffer);
      queue_pop(tx_buffer);
      if (queue_empty(tx_buffer))
        USART1->CR1 &= ~USART_CR1_TXEIE & UART_IT_MASK;
      return;
    }
  }
  HAL_UART_IRQHandler(&huart1);
}

void MX_USART1_UART_Init()
{
  tx_buffer = queue_create(1024);
  rx_buffer = queue_create(1024);
  huart1.Instance = USART1;
  huart1.Init.BaudRate = 115200;
  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
  if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  USART1->CR1 |= USART_CR1_RXNEIE & UART_IT_MASK;
}

void usart1_transmit(char c)
{
  uint16_t capacity = queue_capacity(tx_buffer);
  bool ok = false;
  while (1)
  {
    __disable_irq();
    ok = capacity - queue_size(tx_buffer) >= 1;
    if (ok)
      break;
    __enable_irq();
    __NOP();
  }
  queue_push(tx_buffer, c);
  USART1->CR1 |= USART_CR1_TXEIE & UART_IT_MASK;
  __enable_irq();
}

char usart1_receive()
{
  bool ok = false;
  while (1)
  {
    __disable_irq();
    ok = !queue_empty(rx_buffer);
    if (ok)
      break;
    __enable_irq();
    __NOP();
  }
  char c = queue_peek(rx_buffer);
  queue_pop(rx_buffer);
  __enable_irq();
  return c;
}

int _write(int file, char* ptr, int len)
{
  for (int i = 0; i != len; ++i)
    usart1_transmit(*ptr++);
  return len;
}

main.c（部分）：

#include "main.h"
#include "usart1.h"

UART_HandleTypeDef huart1;
uint8_t count = 0;

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  while (1)
  {
    printf("Hello world: %d\n", count);
    HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);
    ++count;
    HAL_Delay(500);
  }
}

ITM實現

明明已經用調試器連接了開發板和電腦，還要加個USB轉串口工具就顯得很累贅；IDE和串口監視器兩個窗口的頻繁切換也讓Alt和Tab鍵損壞的幾率增加了幾成。有沒有辦法讓開發板通過調試器和IDE就能輸出呢？

可以用ARM的ITM（Instrumentation Trace Macroblock），通過TRACESWO發送。SWO與JTAG的JTDIO是同一個引腳，用標準ST-LINK的20-pin排線可以連接，但是10-pin的簡版ST-LINK沒有引出SWO，因此要使用ITM調試不能用簡版的4線接法。

ITM無需初始化，直接調用ITM_SendChar函數即可發送，該函數定義在\Drivers\CMSIS\Include\core_cmx.h中。ITM版的_write函數，不過是把usart1_transmit換成ITM_SendChar而已。

#include "main.h"
#include <stdio.h>

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);

int _write(int file, char* ptr, int len)
{
  for (int i = 0; i != len; ++i)
    ITM_SendChar(*ptr++);
  return len;
}

uint8_t count = 0;

int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
  MX_GPIO_Init();
  while (1)
  {
    printf("Hello world: %d\n", count);
    HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);
    ++count;
    HAL_Delay(500);
  }
}

為了在IDE中看到printf輸出的內容，需要做幾步配置。首先進入Debug模式，在調試選項的Debugger頁啟用SWV：

找到SWV ITM Data Console窗口：

窗口右上角Configure trace，勾選Port 0：

點擊Start Trace。這樣就可以看見printf的輸出了：

雜記

好久沒更部落格了。這兩周一直在做搖搖棒，硬體軟體交替著改，總算是做出一個比較穩定的顯示效果了。計劃本月再更兩篇。

有一次下載器與搖搖棒的連接有鬆動，數據傳輸錯誤，導致熔絲位被修改，時鐘源選擇了不存在的，程式無法啟動，也無法下載新的程式。還好我帶著這塊STM32開發板，在一個引腳上產生一個較高頻率的方波，連接到單片機的晶振引腳，改回熔絲位，算是把單片機救活了。本來STM32開發板帶著是要寫這篇printf的，部落格沒寫，倒是有救場的用途。

與printf相對的scanf，我也嘗試過實現，但是有兩個問題，一是我沒有找到在STM32CubeIDE中如何通過ITM向單片機發送，二是_read函數的len參數總是1024，這是想讓我一次性讀1024個位元組再返回嗎？

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