C語言嵌入式實(shí)現(xiàn)支持浮點(diǎn)輸出的printf示例詳解
簡介
mr-printf 模塊為 mr-library 項(xiàng)目下的可裁剪模塊，以C語言編寫，可快速移植到各種平臺(tái)（主要以嵌入式mcu為主）。
mr-printf 模塊用以替代 libc 中 printf， 可在較小資源占用的同時(shí)支持絕大部分 printf 功能，于此同時(shí)還支持對單獨(dú)功能模塊的裁剪以減少用戶不需要功能的資源占用。
背景
printf 大家應(yīng)該使用的比較多，但是在嵌入式平臺(tái)中，尤其是單片機(jī)中，libc中的printf對內(nèi)存的占用較高，尤其是加上浮點(diǎn)輸出功能時(shí)，占用更是能翻倍。同時(shí)移植適配相對困難，不同編譯器下，需要適配的接口不同，遇到問題也因?yàn)榭床坏皆创a，無從下手。
故有了寫自己的printf想法。現(xiàn)在網(wǎng)上也有不少自己寫printf的教程，但是在我實(shí)際按照教程編寫時(shí)又遇到了許多問題很多教程并不能正確實(shí)現(xiàn)功能，所以我把寫完的代碼開源出來，同時(shí)分享下我在編寫時(shí)遇到的問題。
C語言可變參數(shù)函數(shù)
C 語言允許定義參數(shù)數(shù)量可變的函數(shù)，這稱為可變參數(shù)函數(shù)。這種函數(shù)需要固定數(shù)量的強(qiáng)制參數(shù)，后面是數(shù)量可變的可選參數(shù)。 如 mr_printf(char *fmt, ...) 前面的 fmt為 char 類型參數(shù)，是固定數(shù)量的強(qiáng)制參數(shù)，后面的 ... 為數(shù)量可變的可選參數(shù)。
同時(shí)我們要了解函數(shù)參數(shù)的入棧順序，例如我們調(diào)用了mr_printf("%d,%f",a,b); 那么首先 "%d,%f"就是fmt這個(gè)char*，這個(gè)是確定的，然后就是兩個(gè)參數(shù) a b ,加入我們采用的從左往右入棧，也就是fmt 先入棧然后a b，這就會(huì)導(dǎo)致，你拿到了棧指針，但是因?yàn)椴恢?code>a b的類型，所以定位不到a 也就是首個(gè)參數(shù)的地址。
但是我們反過來，采用從右往左入棧，那么我們將會(huì)得到fmt的地址，然后只需要對fmt的地址 + fmt的大小，就能得到a 的地址。實(shí)現(xiàn)此功能的函數(shù)也叫va_start名字也很形象，是一切的開始。然后我們通過分析 fmt中的信息，就能通過對 a的地址 + a的大小得到b的地址，這一步驟也叫va_arg。
最后當(dāng)我們處理完所有的信息后我們需要把棧指針歸零防止出現(xiàn)野指針，也就是va_end。好了我們已經(jīng)學(xué)會(huì)了可變參數(shù)函數(shù)的開始和結(jié)束，那么我們就可以開始應(yīng)用了。
踩坑
typedef char * va_list; //將char*別名為va_list; #define _INTSIZEOF(n) ((sizeof(n) + sizeof(int) - 1) & ~(sizeof(int) - 1)) #define va_start(ap,v) (ap = (va_list)&v + _INTSIZEOF(v)) #define va_arg(ap,t) (*(t*)((ap += _INTSIZEOF(t)) - _INTSIZEOF(t))) #define va_end(ap) (ap = (va_list)0)
相信很多人在搜printf的實(shí)現(xiàn)時(shí)候都看到過這段代碼，確實(shí)這是沒有問題的，這是x86上的代碼，我們可以通過學(xué)習(xí)這個(gè)代碼的思路來了解整個(gè)可變參數(shù)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)過程。但當(dāng)你把這段代碼移植到你的stm32等設(shè)備上時(shí)你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，同樣的代碼在電腦上跑沒有問題，但是單片機(jī)上卻不行，就是應(yīng)為這段的問題，在gcc環(huán)境下應(yīng)該是下面這樣，并不能通過上面的函數(shù)直接去操作棧指針，當(dāng)然最好的辦法其實(shí)是引入#include <stdarg.h>這個(gè)頭文件，其中包含了對va_list va_start va_end va_arg 的定義。
typedef __builtin_va_list __gnuc_va_list; typedef __gnuc_va_list va_list; #define va_start(v,l) __builtin_va_start(v,l) #define va_end(v) __builtin_va_end(v) #define va_arg(v,l) __builtin_va_arg(v,l)
功能實(shí)現(xiàn)
首先我們需要定義一個(gè)函數(shù)將字符輸出到我們的硬件MR_WEAK void mr_putc(char data)，MR_WEAK為宏定義，不同平臺(tái)可能關(guān)鍵字不同，將 void mr_putc(char data)定義為一個(gè)弱函數(shù)，該函數(shù)主要功能為將data字符輸出到例如串口等設(shè)備。
同時(shí)我們定義int mr_printf(char *fmt, ...) 函數(shù)，參入?yún)?shù)為一個(gè) char *和不定數(shù)量的可變參數(shù)。然后定義一個(gè) va_list ap 用來獲取可變參數(shù)。
我們先初始化ap指針，方法剛剛已經(jīng)講過，即對fmt參數(shù)偏移sizeof(fmt),調(diào)用va_start(ap,fmt)即可。
接下來我們就要開始分析fmt中的信息了，我們需要處理的只有 %x命令，其他的通過我們自定義的輸出函數(shù)直接輸出即可。因?yàn)樽址慕Y(jié)尾都是\0，所以我們就能寫出以下代碼:
int mr_printf(char *fmt, ...)
{
va_list ap;
char putc_buf[20]; //輸出緩沖區(qū)，減少運(yùn)算加速輸出
unsigned int u_val;
int val, bits, flag;
double f_val;
char *str;
int res = 0;
/* move ap to fmt + sizeof(fmt) */
va_start(ap,fmt);
while(*fmt != '\0')
{
if(*fmt == '%')
{
++ fmt;
"處理函數(shù)"
}
else
{
mr_putc(*fmt);
++ res;
++ fmt;
}
}
/* set ap = null */
va_end(ap);
return res;
}
接下來我們就需要編寫中間的處理函數(shù)了，我們暫且需要支持 %d,%x,%o,%u,%s,%c,%f 這幾個(gè)指令 我們先開一個(gè)switch
switch (*fmt)
{
}
然后先處理最簡單的 %d
/* mr_printf signed int to DEC */
case 'd':
/* get value */
val = va_arg(ap,int);
if(val < 0) //判斷正負(fù)
{
val = - val;
mr_putc('-');
++ res;
}
/* get value bits */
bits = 0;
while(val)
{
putc_buf[bits] = '0' + val % 10; //獲取整型位數(shù)的同時(shí)，將每一位按低位到高位存入緩沖區(qū)
val /= 10;
++ bits;
}
res += bits;
/* put value bits */
while (bits)
{
-- bits;
mr_putc(putc_buf[bits]); //將每一位從高到低從緩沖區(qū)中輸出
}
++ fmt;
continue;
同理處理下 %u
/* mr_printf unsigned int to DEC */
case 'u':
/* get value */
u_val = va_arg(ap,unsigned int);
/* get value bits */
bits = 0;
while(u_val)
{
putc_buf[bits] = '0' + u_val % 10;
u_val /= 10;
++ bits;
}
res += bits;
/* put value bits */
while (bits)
{
-- bits;
mr_putc(putc_buf[bits]);
}
++ fmt;
continue;
與此同時(shí) %x和%o也是同樣的道理僅需修改取余和除的值即可，直接貼代碼
/* mr_printf unsigned int to HEX */
case 'x':
/* get value */
u_val = va_arg(ap,unsigned int);
/* get value bits */
bits = 0;
while(u_val)
{
putc_buf[bits] = '0' + u_val % 16;
if(putc_buf[bits] > '9')
putc_buf[bits] = 'A' + (putc_buf[bits] - '9' - 1);
u_val /= 16;
++ bits;
}
res += bits;
/* put value bits */
while (bits)
{
-- bits;
mr_putc(putc_buf[bits]);
}
++ fmt;
continue;
/* mr_printf unsigned int to OCT */
case 'o':
/* get value */
u_val = va_arg(ap,unsigned int);
/* get value bits */
bits = 0;
while(u_val)
{
putc_buf[bits] = '0' + u_val % 8;
u_val /= 8;
++ bits;
}
res += bits;
/* put value bits */
while (bits)
{
-- bits;
mr_putc(putc_buf[bits]);
}
++ fmt;
continue;
%s和%c就更簡單了
/* mr_printf string */
case 's':
str = va_arg(ap,char *);
while (*str != '\0')
{
mr_putc(*str);
++ str;
++ res;
}
++ fmt;
continue;
/* mr_printf char */
case 'c':
mr_putc(va_arg(ap,int));
++ res;
++ fmt;
continue;
最難的其實(shí)是對float的輸出，當(dāng)你用上面的思路一位一位取出數(shù)據(jù)的同時(shí)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，每做一個(gè)浮點(diǎn)運(yùn)算，就會(huì)引入新的誤差，所以要盡可能少的做浮點(diǎn)運(yùn)算,同時(shí)因?yàn)檫€需支持%.2f這種指令需要在switch前面加上下面一段代碼記錄需要輸出多少位。
/* dispose %.x */
if(*fmt == '.')
{
++ fmt;
flag = (int)(*fmt - '0');
++ fmt;
}
else
{
flag = 187; // N(46) + U(53) + L(44) + L(44) = NULL(187)
}
/* mr_printf float */
case 'f':
/* get value */
f_val = va_arg(ap,double);
if(f_val < 0)
{
f_val = - f_val; //判斷正負(fù)
mr_putc('-');
++ res;
}
/* separation int and float */
val = (int)f_val; // 分離整數(shù)和小數(shù)，整數(shù)將按上面處理整數(shù)的部分輸出，小數(shù)部分單獨(dú)處理
f_val -= (double)val;
/* get int value bits */
bits = 0;
if(val == 0)
{
mr_putc('0');
++ res;
}
while (val)
{
putc_buf[bits] = '0' + val % 10;
val /= 10;
++ bits;
}
res += bits;
/* put int value bits */
while (bits)
{
--bits;
mr_putc(putc_buf[bits]);
}
/* dispose float */
if(flag != 0)
{
mr_putc('.');
++ res;
}
if(flag > 6) //判斷需要輸出幾位小數(shù)
flag = 6;
val = (int)((f_val * 1000000.0f) + 0.5f); //僅做一次浮點(diǎn)運(yùn)算，同時(shí)對誤差進(jìn)行處理忽略最低幾位小數(shù)引入的誤差
/* get float value bits */
bits = 0;
while (bits < 6)
{
putc_buf[bits] = '0' + val % 10; //使用輸出整數(shù)的方法將小數(shù)輸出出去
val /= 10;
++ bits;
}
res += flag;
/* put int value bits */
while (flag)
{
--flag;
-- bits;
mr_putc(putc_buf[bits]);
}
++ fmt;
continue;
好了通過上面的講解你應(yīng)該已經(jīng)會(huì)寫printf了，或者下載開源代碼使用。
開源代碼
路徑：master/mr-library/ device / mr_printf
以上就是C語言嵌入式實(shí)現(xiàn)支持浮點(diǎn)輸出的printf示例詳解的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于C語言嵌入式浮點(diǎn)輸出printf的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！
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