痞子衡嵌入式：淺析IAR下調試信息輸出機制之硬體UART外設

大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家分享的是IAR下調試信息輸出機制之硬體UART外設。在嵌入式世界里，輸出列印信息是一種非常常用的輔助調試手段，藉助列印信息，我們可以比較容易地定位和分析程式問題。在嵌入式應用設計里實現列印信息輸出的方式有很多，本系列將以 IAR 環境為例逐一 ...

　　大家好，我是痞子衡，是正經搞技術的痞子。今天痞子衡給大家分享的是IAR下調試信息輸出機制之硬體UART外設。

　　在嵌入式世界里，輸出列印信息是一種非常常用的輔助調試手段，藉助列印信息，我們可以比較容易地定位和分析程式問題。在嵌入式應用設計里實現列印信息輸出的方式有很多，本系列將以 IAR 環境為例逐一介紹 ARM Cortex-M 內核 MCU 下列印信息輸出方法。

　　本篇是第一篇，我們先介紹最常見的輸出列印信息方式，即利用 MCU 晶元內的硬體 UART 外設。本篇其實並不是要具體介紹 UART 外設模塊使用方法，而是重點分析 IAR 下是如何聯繫 C 標準頭文件 stdio.h 定義的 printf() 函數與 UART 外設底層驅動函數的。

Note：本文使用的 IAR EWARM 軟體版本是 v9.10.2。

一、列印輸出整體框圖

　　首先簡介下本文介紹的列印輸出方法整體軟硬體框圖，硬體上主要是 PC 主機、MCU 目標板、一根連接線（連接線有兩種方案：一種是 RS232 串口線、另一種是 TTL 串口轉 USB 模塊板）。

　　軟體上 PC 這邊需要安裝一個串口調試助手軟體，然後目標板 MCU 應用程式需要包含列印輸出相關代碼，當 MCU 程式運行起來後，驅動片內 UART 外設實現列印字元數據 (hello world.) 物理傳輸，在 PC 上串口調試助手軟體里可以看到列印信息。

　　上圖裡的 MCU 應用程式是在 IAR 環境下編譯鏈接的，因此我們的重點就是 stdio.h 頭文件里的 printf() 在 IAR 下到底是如何與 UART 外設驅動函數“勾搭”起來的。

二、C 標準頭文件 stdio.h

　　熟悉嵌入式工程的朋友應該都知道 stdio.h 頭文件並不在用戶工程文件夾里，無需我們手動添加該文件進工程目錄，該文件是 C 標准定義的頭文件，由工具鏈自動提供。

　　stdio.h 是 C 語言為輸入輸出提供的標準庫頭文件，其前身是邁克·萊斯克 20 世紀 70 年代編寫的“可移植輸入輸出程式庫”。C 語言中的所有輸入和輸出都由抽象的位元組流來完成，對文件的訪問也通過關聯的輸入或輸出流進行。

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

　　大部分人學 C 語言一般都是在 Visual Studio / C++ 環境下，在這個環境里 stdio.h 定義的那些函數底層實現都由 Visual Studio 軟體直接搞定，我們通常無需關心其實現細節。

　　在嵌入式 IAR 環境下，這些標準 C 定義的頭文件大部分也都是可以被支持的，我們可以在如下 IAR 軟體目錄找到它們，當我們在工程代碼裡加入 #include <stdio.h> 等語句時，實際上就是添加 IAR 軟體目錄里的文件進工程編譯。

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

　　但是 IAR 目錄下 stdio.h 文件里定義的諸如 printf() 函數具體實現我們是需要關註的，畢竟是要編譯鏈接生成具體機器碼下載進 MCU 運行的，但是 printf() 函數原型在哪呢？我們先留個懸念。

三、UART 外設驅動函數

　　說到 UART 外設驅動函數，這個大家應該再熟悉不過了。我們以恩智浦 i.MXRT1060 型號（ARM Cortex-M7 內核）為例來具體介紹，在其官方 SDK 包里有相應的 LPUART 驅動文件：

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

　　這個 LPUART 驅動庫里的 LPUART_WriteBlocking() 和 LPUART_ReadBlocking() 函數可以完成用戶數據包的發送和接收，其實單純利用 LPUART_WriteBlocking() 函數也可以實現列印信息輸出，只是沒有 printf() 函數那樣包含格式化輸出的強大功能。

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 對 C 標準 I/O 庫的支持

　　IAR 顯然是對 C 標準 I/O 庫有支持的，不然我們不可能在工程里能使用 printf() 函數，只是這個支持我們如何去輕鬆發現呢？痞子衡今天教大家一個方法，就是看工程編譯鏈接後生成的 .map 文件，這個 map 文件里會列出工程里所有函數的來源。

4.1 引出底層介面 __write()

　　我們以 \SDK_2.11.0_EVK-MIMXRT1060\boards\evkmimxrt1060\demo_apps\hello_world\iar 工程為例來介紹，需要簡單改造一下工程里 hello_world.c 文件里的 main() 函數，將原來代碼全部刪掉（原來的列印輸出涉及恩智浦 SDK 封裝，本文沒必要關心其實現），只要如下一句列印即可：

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

　　然後註意工程選項里跟 Library 實現相關的如下三處設置。其中 Library 選項配置的是 runtime lib 的功能，有 Normal 和 Full 兩個選項（可按需選擇）；Printf formatter 選項決定格式化輸出功能細節，分 Full、Large、Small、Tiny 四個選項（可按需選擇）。Library low-level interface implementation 選項決定低層 I/O 實現，這裡我們選 None，即由用戶來實現。

　　配置好 Library 後編譯工程會發現有如下報錯，根據這個報錯我們可以猜到 dl7M_tln.a 是 IAR 編譯好的 C/C++ 庫，庫裡面實現了 printf() 函數及其所依賴的 putchar() 函數，而 puchar() 函數對外提供了底層 I/O 介面函數，這個 I/O 函數名字叫 __write()，它就是需要用戶結合晶元 UART 外設去實現的發送函數。

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

　　在 IAR 目錄下我們可以找到 dl7M_tln.a 文件路徑，經過測試，工程 Library 設置里 Normal 和 Full 選項其實就是選 dl7M_tln.a 還是 dl7M_tlf.a 進用戶工程去鏈接。

4.2 DLIB底層 I/O 介面設計

　　找到了 __write() 函數，但是它的原型到底是什麼？我們該如何實現它？這時候需要去查萬能的 \IAR Systems\Embedded Workbench 9.10.2\arm\doc\EWARM_DevelopmentGuide.ENU 手冊，在裡面搜索 __write 字樣可以找到如下設計，原來我們在代碼里調用的 C 標準 I/O 介面均是由 IAR 底層預編譯好的 DLIB 去具體實現的，這個 DLIB 庫也留下了給用戶實現的最底層與硬體相關的介面函數。

　　IAR 為 DLIB 里那些最底層的 I/O 介面函數都創建了模板源文件，在這些模板文件里我們可以找到它們的原型，所以我們在 write.c 文件里找到了 __write() 原型及其示例實現。

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

4.3 DLIB庫 I/O 相關源碼實現

　　有了 __write() 原型及示例代碼，我們很容易便能用 LPUART_WriteBlocking() 函數去實現它，將這個代碼添加進 hello_world 工程編譯，這時候就不會報錯了（當然要想真正在板子上測試列印功能，main 函數里還得加入 LPUART 初始化代碼）。

#include "fsl_lpuart.h"
size_t __write(int handle, const unsigned char *buf, size_t size)
{
    // 假設使用 LPUART1 去做輸出
    (void)LPUART_WriteBlocking(LPUART1, buf, size);

    return 0;
}

　　工程編譯完成後，查看生成的 hello_world.map 文件，找到 dl7M_tln.a 部分的信息，可以看到其由很多個 .o 文件組成（功能比較豐富），這些 .o 文件都是可以在 IAR 安裝目錄下找到其源碼的。

*******************************************************************************
*** 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 庫中關於 I/O 相關的源碼放在瞭如下目錄里，感興趣的可以去查看其具體實現，這裡特別提一下 formatter 文件夾下 xprintf 有很多種不同的源文件實現，其實就對應了工程選項 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下調試信息輸出機制之硬體UART外設痞子衡便介紹完畢了，掌聲在哪裡~~~

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衡傑(痞子衡)，目前就職於恩智浦MCU系統部門，擔任嵌入式系統應用工程師。

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