代码收藏家技术教程 2025-06-16

STM32中为何必须使用microLIB实现printf重定向功能？

明明是重定向printf，但是为什么重写的是fputc？

在单片机的开发中，关于重定向printf到串口，相信大家都不陌生。通过重定向到串口，就可以连接电脑调试程序中的bug，非常好用。那么为什么重写的是fputc呢？

原因是这样的：printf是高级格式化输出函数，其定义在标准库stdio.h中。它的输出逻辑分为两步，第一步，printf 调用 vfprintf，vfprintf解析格式字符串并生成字符序列；而第二步，vfprintf 通过 fwrite 或循环调用 fputc 将字符写入缓冲区或直接输出到流，若流是行缓冲（如 stdout），遇到换行符 \n 或缓冲区满时，数据才会通过 fputc 发送到设备。所以简单来说，fputc 是 printf 的底层输出实现，在 STM32 等资源受限设备中，重定向 printf 到串口的本质是重写 fputc。

当然fputc函数本身也是定义在标准库stdio.h中的。因为 printf 的所有输出最终都会转化为对 fputc 的调用，那么我们在重定向printf的时候，也就只需要重写fputc了。

fputc的函数原型为

int fputc(int c, FILE *stream);

它直接操作硬件或系统接口，是 I/O 的最基础单元。

那为什么在MDK开发STM32的时候，需要使用MicroLIB才能重定向呢？

半主机模式（Semihosting）

ARM标准库（如ARMCC的标准C库）默认使用半主机模式实现printf。半主机模式（Semihosting）是ARM架构中一种特殊的调试机制，允许在嵌入式目标设备（如STM32）上运行的代码借用主机（运行调试器的电脑）的输入/输出设备（如屏幕、键盘、文件系统）执行I/O操作。半主机需调试器作为中介，实际部署到嵌入式设备（无调试器连接）时，程序会因无法触发主机响应而卡死或崩溃。
也就是说该模式依赖调试器（如JTAG/SWD）与主机通信，需仿真器支持，如果没有仿真器的话，程序就会进入卡死和崩溃。而我们在使用芯片的时候，显然要断掉调试线的，所以我们如果通过标准库实现重定向printf的话，就需要关闭半主机模式。关闭半主机模式需要程序里写一些代码，这个问题我们后面再说。

MicroLIB

Microlib（也称MicroLIB）是ARM Keil MDK开发环境中提供的高度精简版C标准库，专为资源受限的嵌入式系统设计。它通过牺牲部分ISO C标准兼容性，换取极小的代码体积和内存占用。特别适合在小容量的芯片中使用，比如STM32F030中可减少30%-50% Flash占用。在这个库中，默认禁用半主机模式（Semihosting），无需额外代码处理调试依赖问题。那么这也就意味着，我们只要使用了这个MicroLIB的话，就再也不用程序设定关闭半主机模式了。一方面它默认关闭了半主机模式，另一方面代码内存占用大大减小，这也就是为什么在重定向printf的时候使用MicroLIB了。
当然了，这个库也有它的缺点。比如说，不支持文件I/O操作（fopen/fread等），没有线程安全机制和对C的标准兼容性差等。但是在不跑操作系统的STM32中，使用microlib仍然是最方便的操作方法。

使用MicroLIB重定向

第一步：首先勾选MDK中的use microlib

第二步：添加重定向代码

hal库版本

在hal库中的重定向，就是把fputc重定向到串口发送函数，fgetc重定向到串口接收函数。关于超时时间可以自行设置。

#include <stdio.h>// 包含标准输入输出头文件
 
int fputc(int ch,FILE *f)
{
//采用轮询方式发送1字节数据，超时时间设置为无限等待
HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t *)&ch,1,HAL_MAX_DELAY);
return ch;
}
int fgetc(FILE *f)
{
uint8_t ch;
// 采用轮询方式接收 1字节数据，超时时间设置为无限等待
HAL_UART_Receive( &huart1,(uint8_t*)&ch,1, HAL_MAX_DELAY );
return ch;
} //重定向scanf

标准库版本

/**
  * 函    数：串口发送一个字节
  * 参    数：Byte 要发送的一个字节
  * 返 回 值：无
  */
void Serial_SendByte(uint8_t Byte)
{
	USART_SendData(USART3, Byte);		//将字节数据写入数据寄存器，写入后USART自动生成时序波形
	while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET);	//等待发送完成
	/*下次写入数据寄存器会自动清除发送完成标志位，故此循环后，无需清除标志位*/
}

int fgetc(FILE *f)
{
uint8_t ch;
ch=USART_ReceiveData(USART1);
return ch;
} //重定向scanf
int fputc(int ch, FILE* f)
{
	UART_Send_Byte(USART1, (uint8_t)ch);
	return ch;
}

寄存器版本

//重定义fputc函数
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    while((USART1->SR & 0X40) == 0); //循环发送,直到发送完毕

    USART1->DR = (u8) ch;
    return ch;
}
/*
** Rewrite fgetc function and make scanf function work
**/
int fgetc(FILE* file)
{
    while((USART1->ISR & UART_IT_RXNE) == RESET);
    return USART1->RDR;
}

不使用MicroLIB的方法

这种方法比较适用于需完整ISO C功能或非Keil环境（如GCC）。

#pragma import(__use_no_semihosting)  // 阻止链接半主机函数 
void _sys_exit(int x) { while(1); }    // 避免未定义符号错误 
 
// Change it if you use different USART port
#define USARTx USART1
 
struct __FILE { int handle; };
FILE __stdout;
FILE __stdin;
 
int fputc(int ch, FILE *f) {
  while(USART_GetFlagStatus(USARTx, USART_FLAG_TXE) == RESET){}
  USART_SendData(USARTx, ch);
  return(ch);
}
 
int fgetc(FILE *f) {
  char ch;
  while(USART_GetFlagStatus(USARTx, USART_FLAG_RXNE) == RESET){}
  ch = USART_ReceiveData(USARTx);
  return((int)ch);
}
 
int ferror(FILE *f) {
  return EOF;
}
 
void _ttywrch(int ch) {
  while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET){}
  USART_SendData(USARTx, ch);
}

作者：Serein朔一

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