C語(yǔ)言嵌入式實(shí)現(xiàn)支持浮點(diǎn)輸出的printf示例詳解

更新時(shí)間：2023年01月30日 11:04:07 作者：MacRsh

這篇文章主要為大家介紹了C語(yǔ)言嵌入式實(shí)現(xiàn)支持浮點(diǎn)輸出的printf示例詳解，有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進(jìn)步，早日升職加薪

簡(jiǎn)介

mr-printf 模塊為 mr-library 項(xiàng)目下的可裁剪模塊，以C語(yǔ)言編寫(xiě)，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(duì)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(duì)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(duì)困難，不同編譯器下，需要適配的接口不同，遇到問(wèn)題也因?yàn)榭床坏皆创a，無(wú)從下手。

故有了寫(xiě)自己的printf想法。現(xiàn)在網(wǎng)上也有不少自己寫(xiě)printf的教程，但是在我實(shí)際按照教程編寫(xiě)時(shí)又遇到了許多問(wèn)題很多教程并不能正確實(shí)現(xiàn)功能，所以我把寫(xiě)完的代碼開(kāi)源出來(lái)，同時(shí)分享下我在編寫(xiě)時(shí)遇到的問(wèn)題。

C語(yǔ)言可變參數(shù)函數(shù)

C 語(yǔ)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(lèi)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(lèi)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(guò)來(lái)，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(duì)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(kāi)始。然后我們通過(guò)分析 fmt中的信息，就能通過(guò)對(duì) 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(kāi)始和結(jié)束，那么我們就可以開(kāi)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(guò)這段代碼，確實(shí)這是沒(méi)有問(wèn)題的，這是x86上的代碼，我們可以通過(guò)學(xué)習(xí)這個(gè)代碼的思路來(lái)了解整個(gè)可變參數(shù)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)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(méi)有問(wèn)題，但是單片機(jī)上卻不行，就是應(yīng)為這段的問(wèn)題，在gcc環(huán)境下應(yīng)該是下面這樣，并不能通過(guò)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(duì)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(lái)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(guò)，即對(duì)fmt參數(shù)偏移sizeof(fmt),調(diào)用va_start(ap,fmt)即可。

接下來(lái)我們就要開(kāi)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(guò)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(xiě)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(lái)我們就需要編寫(xiě)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(kāi)一個(gè)switch

switch (*fmt)
{
}

然后先處理最簡(jiǎn)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(guò)上面的講解你應(yīng)該已經(jīng)會(huì)寫(xiě)printf了，或者下載開(kāi)源代碼使用。

開(kāi)源代碼

倉(cāng)庫(kù)鏈接 gitee.com/chen-fanyi/…