printf()是如何与UART外设驱动函数“勾搭”起来的？

大家好，我是痞子衡，是正经搞技术的痞子。今天痞子衡给大家分享的是IAR下调试信息输出机制之硬件UART外设。

在嵌入式世界里，输出打印信息是一种非常常用的辅助调试手段，借助打印信息，我们可以比较容易地定位和分析程序问题。在嵌入式应用设计里实现打印信息输出的方式有很多，本系列将以 IAR 环境为例逐一介绍 ARM Cortex-M 内核 MCU 下打印信息输出方法。

本篇是第一篇，我们先介绍最常见的输出打印信息方式，即利用 MCU 芯片内的硬件 UART 外设。本篇其实并不是要具体介绍 UART 外设模块使用方法，而是重点分析 IAR 下是如何联系 C 标准头文件 stdio.h 定义的 printf() 函数与 UART 外设底层驱动函数的。

• Note：本文使用的 IAR EWARM 软件版本是 v9.10.2。

一、打印输出整体框图

首先简介下本文介绍的打印输出方法整体软硬件框图，硬件上主要是 PC 主机、MCU 目标板、一根连接线（连接线有两种方案：一种是 RS232 串口线、另一种是 TTL 串口转 USB 模块板）。

软件上 PC 这边需要安装一个串口调试助手软件，然后目标板 MCU 应用程序需要包含打印输出相关代码，当 MCU 程序运行起来后，驱动片内 UART 外设实现打印字符数据 (hello world.) 物理传输，在 PC 上串口调试助手软件里可以看到打印信息。

上图里的 MCU 应用程序是在 IAR 环境下编译链接的，因此我们的重点就是 stdio.h 头文件里的 printf() 在 IAR 下到底是如何与 UART 外设驱动函数“勾搭”起来的。

二、C 标准头文件 stdio.h

熟悉嵌入式工程的朋友应该都知道 stdio.h 头文件并不在用户工程文件夹里，无需我们手动添加该文件进工程目录，该文件是 C 标准定义的头文件，由工具链自动提供。

stdio.h 是 C 语言为输入输出提供的标准库头文件，其前身是迈克·莱斯克 20 世纪 70 年代编写的“可移植输入输出程序库”。C 语言中的所有输入和输出都由抽象的字节流来完成，对文件的访问也通过关联的输入或输出流进行。

• stdio.h 原型：https://cplusplus.com/reference/cstdio/

大部分人学 C 语言一般都是在 Visual Studio / C++ 环境下，在这个环境里 stdio.h 定义的那些函数底层实现都由 Visual Studio 软件直接搞定，我们通常无需关心其实现细节。

在嵌入式 IAR 环境下，这些标准 C 定义的头文件大部分也都是可以被支持的，我们可以在如下 IAR 软件目录找到它们，当我们在工程代码里加入 #include <stdio.h> 等语句时，实际上就是添加 IAR 软件目录里的文件进工程编译。

\IAR Systems\Embedded Workbench 9.10.2\arm\inc\c\stdio.h

但是 IAR 目录下 stdio.h 文件里定义的诸如 printf() 函数具体实现我们是需要关注的，毕竟是要编译链接生成具体机器码下载进 MCU 运行的，但是 printf() 函数原型在哪呢？我们先留个悬念。

三、UART 外设驱动函数

说到 UART 外设驱动函数，这个大家应该再熟悉不过了。我们以恩智浦 i.MXRT1060 型号（ARM Cortex-M7 内核）为例来具体介绍，在其官方 SDK 包里有相应的 LPUART 驱动文件：

\SDK_2.11.0_EVK-MIMXRT1060\devices\MIMXRT1062\drivers\fsl_lpuart.h
\SDK_2.11.0_EVK-MIMXRT1060\devices\MIMXRT1062\drivers\fsl_lpuart.c

这个 LPUART 驱动库里的 LPUART_WriteBlocking() 和 LPUART_ReadBlocking() 函数可以完成用户数据包的发送和接收，其实单纯利用 LPUART_WriteBlocking() 函数也可以实现打印信息输出，只是没有 printf() 函数那样包含格式化输出的强大功能。

status_t LPUART_Init(LPUART_Type *base, const lpuart_config_t *config, uint32_t srcClock_Hz)
status_t LPUART_WriteBlocking(LPUART_Type *base, const uint8_t *data, size_t length)
status_t LPUART_ReadBlocking(LPUART_Type *base, uint8_t *data, size_t length)

四、IAR 对 C 标准 I/O 库的支持

IAR 显然是对 C 标准 I/O 库有支持的，不然我们不可能在工程里能使用 printf() 函数，只是这个支持我们如何去轻松发现呢？痞子衡今天教大家一个方法，就是看工程编译链接后生成的 .map 文件，这个 map 文件里会列出工程里所有函数的来源。

4.1 引出底层接口 __write()

我们以 \SDK_2.11.0_EVK-MIMXRT1060\boards\evkmimxrt1060\demo_apps\hello_world\iar 工程为例来介绍，需要简单改造一下工程里 hello_world.c 文件里的 main() 函数，将原来代码全部删掉（原来的打印输出涉及恩智浦 SDK 封装，本文没必要关心其实现），只要如下一句打印即可：

#include <stdio.h>
int main(void)
{
    printf("hello world.\r\n");
    while (1);
}

然后注意工程选项里跟 Library 实现相关的如下三处设置。其中 Library 选项配置的是 runtime lib 的功能，有 Normal 和 Full 两个选项（可按需选择）；Printf formatter 选项决定格式化输出功能细节，分 Full、Large、Small、Tiny 四个选项（可按需选择）。Library low-level interface implementation 选项决定低层 I/O 实现，这里我们选 None，即由用户来实现。

配置好 Library 后编译工程会发现有如下报错，根据这个报错我们可以猜到 dl7M_tln.a 是 IAR 编译好的 C/C++ 库，库里面实现了 printf() 函数及其所依赖的 putchar() 函数，而 puchar() 函数对外提供了底层 I/O 接口函数，这个 I/O 函数名字叫 __write()，它就是需要用户结合芯片 UART 外设去实现的发送函数。

 Error[Li005]: no definition for "__write" [referenced from putchar.o(dl7M_tln.a)]

在 IAR 目录下我们可以找到 dl7M_tln.a 文件路径，经过测试，工程 Library 设置里 Normal 和 Full 选项其实就是选 dl7M_tln.a 还是 dl7M_tlf.a 进用户工程去链接。

4.2 DLIB底层 I/O 接口设计

找到了 __write() 函数，但是它的原型到底是什么？我们该如何实现它？这时候需要去查万能的 \IAR Systems\Embedded Workbench 9.10.2\arm\doc\EWARM_DevelopmentGuide.ENU 手册，在里面搜索 __write 字样可以找到如下设计，原来我们在代码里调用的 C 标准 I/O 接口均是由 IAR 底层预编译好的 DLIB 去具体实现的，这个 DLIB 库也留下了给用户实现的最底层与硬件相关的接口函数。

IAR 为 DLIB 里那些最底层的 I/O 接口函数都创建了模板源文件，在这些模板文件里我们可以找到它们的原型，所以我们在 write.c 文件里找到了 __write() 原型及其示例实现。

size_t __write(int handle, const unsigned char * buffer, size_t size)

4.3 DLIB库 I/O 相关源码实现

有了 __write() 原型及示例代码，我们很容易便能用 LPUART_WriteBlocking() 函数去实现它，将这个代码添加进 hello_world 工程编译，这时候就不会报错了（当然要想真正在板子上测试打印功能，main 函数里还得加入 LPUART 初始化代码）。

#include "fsl_lpuart.h"
size_t __write(int handle, const unsigned char *buf, size_t size)
{
    // 假设使用 LPUART1 去做输出
    (void)LPUART_WriteBlocking(LPUART1, buf, size);

    return 0;
}

工程编译完成后，查看生成的 hello_world.map 文件，找到 dl7M_tln.a 部分的信息，可以看到其由很多个 .o 文件组成（功能比较丰富），这些 .o 文件都是可以在 IAR 安装目录下找到其源码的。

*******************************************************************************
*** MODULE SUMMARY
***

    Module                ro code  ro data  rw data
    ------                -------  -------  -------
dl7M_tln.a: [10]
    abort.o                     6
    exit.o                      4
    low_level_init.o            4
    printf.o                   40
    putchar.o                  32
    xfail_s.o                  64                 4
    xprintfsmall_nomb.o     1'281
    xprout.o                   22
    -----------------------------------------------
    Total:                  1'453                 4

DLIB 库中关于 I/O 相关的源码放在了如下目录里，感兴趣的可以去查看其具体实现，这里特别提一下 formatter 文件夹下 xprintf 有很多种不同的源文件实现，其实就对应了工程选项 Printf formatter  里的不同配置。

\IAR Systems\Embedded Workbench 9.10.2\arm\src\lib\dlib\file
\IAR Systems\Embedded Workbench 9.10.2\arm\src\lib\dlib\formatters

至此，IAR下调试信息输出机制之硬件UART外设痞子衡便介绍完毕了，掌声在哪里~~~