printf在uCOS51上的移植和浮點(diǎn)數(shù)顯示
                                      asdjf@163.com   2003/10/20
                                      

    printf函數(shù)是C語(yǔ)言里應(yīng)用最為廣泛的函數(shù)之一，我們初學(xué)C語(yǔ)言時(shí)實(shí)現(xiàn)的第一個(gè)程序《Hello the world》，就包含printf語(yǔ)句。它的應(yīng)用十分靈活，可以打印各種類型數(shù)據(jù)，可變數(shù)量的變量，表達(dá)式，是非常理想的輸出函數(shù)，廣泛用于結(jié)果輸出，中間變量顯示，調(diào)試等。然而，編譯器將其作為標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)，不提供源代碼，其本身代碼量也偏大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)按需裁減的要求，并且有些printf庫(kù)代碼不支持重入。
    解決方法是把Linux里的相關(guān)源碼簡(jiǎn)化后移植到C51里。關(guān)鍵點(diǎn)在于理解變參函數(shù)、參數(shù)傳遞規(guī)則、浮點(diǎn)數(shù)存儲(chǔ)格式。
    C編譯器一般將函數(shù)參數(shù)按從右至左的順序依次壓入堆棧(C51在使用reentrant關(guān)鍵字后也這么處理)，函數(shù)內(nèi)部處理參數(shù)變量時(shí)直接在堆棧上尋址，局部變量緊跟在參數(shù)后面存放，函數(shù)返回時(shí)出棧，參數(shù)和局部變量所占用空間自動(dòng)釋放。例如：
    fun(char *fmt,char a,int b long c,float d) reentrant
    的堆棧結(jié)構(gòu)如圖1所示：
    
        ------------------
        |float d 4 bytes |
    +10 ------------------
        |long c 4 bytes  |
    +6  ------------------
        |int b 2 bytes   |
    +4  ------------------
        |char a 1 bytes  |
    +3  ------------------
        |char *fmt 3bytes|
 SP+0-->------------------
        |     局部變量    |
        ------------------
        圖1.fun函數(shù)參數(shù)和局部變量在堆棧里的結(jié)構(gòu)
    
    C51編譯器從右向左依次將float/long/int/char/char *壓入仿真堆棧，各種數(shù)據(jù)類型所占空間大小如圖1，例如char占1字節(jié)，float占4字節(jié)等。值得一提的是，常數(shù)壓棧的格式：0-255按1字節(jié)壓棧，256-32767壓成2字節(jié)，32768(8000H)或以上壓成4字節(jié)，帶有l(wèi)/L結(jié)尾的常數(shù)占4字節(jié)。
    上面的函數(shù)fun內(nèi)部可以通過(guò)函數(shù)名稱訪問(wèn)各個(gè)變量，C編譯器自動(dòng)把函數(shù)名轉(zhuǎn)換成地址，如：訪問(wèn)long c轉(zhuǎn)換成訪問(wèn)SP+6，訪問(wèn)char a轉(zhuǎn)換成訪問(wèn)SP+3等。寫成表達(dá)式為：
    c=0x12345678;======>(SP+6)=0x12345678
    a='y';=============>(SP+3)='y'
    總之，上面的函數(shù)通過(guò)顯式地指定函數(shù)名和數(shù)據(jù)類型完成參數(shù)的傳遞和訪問(wèn)，內(nèi)部細(xì)節(jié)由C編譯器完成，對(duì)用戶透明。
    這種方式的好處是表達(dá)清晰，結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)，屏蔽底層細(xì)節(jié)；壞處是不夠靈活，參數(shù)必須在處理前顯式確定并固定不變，這給我們用同一函數(shù)處理不同情況帶來(lái)了困難，C的解決方案是引入“變參函數(shù)”(詳見C語(yǔ)言大全)，如下：
    fun(char *fmt,...) reentrant
    ...表示有0到N個(gè)可變數(shù)量參數(shù)，C編譯器此時(shí)不檢查參數(shù)匹配，傳遞參數(shù)規(guī)律與一般函數(shù)相同。如果我們用這個(gè)函數(shù)取代前一個(gè)函數(shù)，但仍按前一函數(shù)的調(diào)用方式調(diào)用，那么，參數(shù)在堆棧里的位置仍如圖1所示。此時(shí)，函數(shù)形參只有“...”沒(méi)有具體變量名，如何引用形參變量呢？觀察圖1堆棧結(jié)構(gòu)可知，如果知道堆棧內(nèi)第一個(gè)參數(shù)的起址和每個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)類型及他們的排列順序，就可以通過(guò)指針訪問(wèn)指定的變量。例如：
    知道堆棧內(nèi)第一個(gè)參數(shù)的起址SP和每個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)類型及排列順序(char*/char/int/long/float)，就可以通過(guò)SP,SP+3,SP+4,SP+6,SP+10訪問(wèn)原來(lái)必須通過(guò)參數(shù)名訪問(wèn)的fmt,a,b,c,d變量。寫成C語(yǔ)言就是：
    
    fun("yy",'y',(int)2,5L,-12.5);
    
    fun(char *fmt,...) reentrant
    {
    void *p;
    
    p=&fmt;
    //此時(shí)*p指向字符串"yy"首址，**p是字符串第一個(gè)字符'y'。
    p=(char **)p+1;
    //此時(shí)*((char *)p)為字符'y'。
    p=(char *)p+1;
    //此時(shí)*((int *)p)為0x0002。
    p=(int *)p+1;
    //此時(shí)*((long *)p)為0xC1480000，即-12.5的IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)格式。
    p=(float *)p+1;
    }
    測(cè)試代碼：
void fun(char *fmt,...) reentrant
{
  void *p;

  p=&fmt;
  PrintChar(**((char **)p));
  p=((char **)p) +1;
  PrintChar(*((char *)p));
  p=((char *)p) +1;
  PrintLong(*((int *)p));
  p=((int *)p) +1;
  PrintLong(*((long *)p));
  p=((long *)p) +1;
  PrintLong(*((long *)p));
  p=((float *)p) +1;
}
    顯示結(jié)果：yy0000000200000005C1480000
    由上面知，在C里不用顯式使用SP等堆棧指針，而是使用void指針指向各種類型數(shù)據(jù)。變參函數(shù)的參數(shù)傳遞和獲取就是這樣運(yùn)做的，知道了它的原理，就不難理解printf的實(shí)現(xiàn)了。
    我所移植的printf支持標(biāo)準(zhǔn)或長(zhǎng)二進(jìn)制/八進(jìn)制/十進(jìn)制/十六進(jìn)制/無(wú)符號(hào)整數(shù)，支持字符、字符串、浮點(diǎn)數(shù)、百分號(hào)%顯示。其中，浮點(diǎn)數(shù)在整個(gè)范圍內(nèi)被完全支持，統(tǒng)一采用科學(xué)記數(shù)法顯示。對(duì)應(yīng)的指示符如下：
    c 字符    f 浮點(diǎn)數(shù)    s 字符串    % 百分號(hào)顯示
    d/ld 2字節(jié)/4字節(jié)有符號(hào)整數(shù)    u/lu 2字節(jié)/4字節(jié)無(wú)符號(hào)整數(shù)
    x/lx 2字節(jié)/4字節(jié)十六進(jìn)制數(shù)    o/lo 2字節(jié)/4字節(jié)八進(jìn)制數(shù)
    b/lb 2字節(jié)/4字節(jié)二進(jìn)制數(shù)
    
    printf的功能是字符串化數(shù)據(jù)，它的第一個(gè)參數(shù)是格式化字符串fmt，用其指示第一個(gè)參數(shù)在堆棧里的起址和其后各個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)類型。知道了參數(shù)堆棧起址和各個(gè)參數(shù)的類型和排放次序，就可以依次取出各個(gè)參數(shù)并字符串化。詳細(xì)過(guò)程參見yyprintf源代碼。同時(shí)，注意到參數(shù)是依靠起址和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度信息依次讀出來(lái)的，那么，yyprintf的參數(shù)必須與格式化參數(shù)的指示相同，否則參數(shù)數(shù)據(jù)會(huì)亂掉。對(duì)于不能肯定的轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)類型建議加上強(qiáng)制類型定義，如(int) 2。特別是常數(shù)的轉(zhuǎn)換類型容易搞錯(cuò)。
    printf大部分代碼與硬件無(wú)關(guān)，只有參數(shù)堆棧結(jié)構(gòu)和打印一個(gè)字符putchar()函數(shù)是硬件相關(guān)的。移植printf時(shí)只要修改putchar()函數(shù)和堆棧結(jié)構(gòu)即可。putchar()函數(shù)的功能一般是向串口輸出一個(gè)字符，也可以向其他顯示設(shè)備輸出一個(gè)字符，取決于你的驅(qū)動(dòng)程序。我已經(jīng)在uCOS51里實(shí)現(xiàn)了PrintChar函數(shù)，直接調(diào)用就可以了。其實(shí)，在X86、POWERPC、ARM等32位CPU上移植printf更加有效和方便。
    
    測(cè)試舉例：
    float r=1.9835671E-10,pi=3.1415926;
    yyprintf("R=%f  Circle area=%f\n",r,pi*r*r);
    結(jié)果：
    R=1.983567E-10  Circle area=1.236071E-19
        
    源代碼：
//============================================================================================
//
//============================================================================================
void yyprintf(char *fmt,...) reentrant  //自編簡(jiǎn)單printf等效函數(shù)
{
    void *p;  //任意指針，可以指向任何類型，C語(yǔ)法不對(duì)其嚴(yán)格要求。
    char ch;
    unsigned char j;

    p=&fmt;
    p=(char **)p+1;  //此處p是指向指針的指針，fmt是字符串指針，p是指向fmt的指針

    while(1){
        while((ch=*fmt++)!='%'){
            if(ch=='\0') return;
            else if(ch=='\n'){PrintChar(10);PrintChar(13);}
            else if(ch=='\t'){
                for(j=0;j<TABNum;j++)
                    PrintChar(' ');
            }
            else PrintChar(ch);
        }
        ch=*fmt++;
        switch(ch){
            case 'c':
                PrintChar(*((char *)p));
                p=(char *)p+1;
                break;
            case 'd':
                PrintN(*((int *)p),10);
                p=(int *)p+1;
                break;
            case 'x':
                PrintN(*((int *)p),16);
                p=(int *)p+1;
                break;
            case 'o':
                PrintUN(*((int *)p),8);
                p=(int *)p+1;
                break;
            case 'b':
                PrintUN(*((int *)p),2);
                p=(int *)p+1;
                break;
            case 'l':
                ch=*fmt++;
                switch(ch){
                    case 'd':
                        PrintLN(*((long *)p),10);
                        p=(long *)p+1;
                        break;
                    case 'o':
                        PrintLUN(*((long *)p),8);
                        p=(long *)p+1;
                        break;
                    case 'u':
                        PrintLUN(*((unsigned long *)p),10);
                        p=(unsigned long *)p+1;
                        break;
                    case 'b':
                        PrintLUN(*((long *)p),2);
                        p=(long *)p+1;
                        break;
                    case 'x':
                        PrintLN(*((long *)p),16);
                        p=(long *)p+1;
                        break;
                    default:
                        return;
                }
                break;
            case 'f':
                DispF(*((float *)p));
                p=(float *)p+1;
                break;
            case 'u':
                PrintUN(*((unsigned int *)p),10);
                p=(unsigned int *)p+1;
                break;
            case 's':
                PrintStr(*((char **)p));
                p=(char **)p+1;
                break;
            case '%':
                PrintChar('%');
                p=(char *)p+1;
                break;
            default:
                return;
        }
    }
}

void PrintN(int n,int b) reentrant  //十進(jìn)制顯示整形數(shù)
{
    if(b==16){PrintWord(n);return;}
	if(n<0){PrintChar('-');n=-n;}
	if(n/b)
	    PrintN(n/b,b);
	PrintChar(n%b+'0');
}

void PrintUN(unsigned int n,unsigned int b) reentrant  //十進(jìn)制顯示無(wú)符號(hào)整形數(shù)
{
    if(b==16){PrintWord(n);return;}
	if(n/b)
	    PrintUN(n/b,b);
	PrintChar(n%b+'0');
}


void PrintLN(long n,long b) reentrant  //十進(jìn)制顯示長(zhǎng)整形數(shù)
{
    if(b==16){PrintLong(n);return;}
	if(n<0){PrintChar('-');n=-n;}
	if(n/b)
	    PrintLN(n/b,b);
	PrintChar(n%b+'0');
}

void PrintLUN(unsigned long n,unsigned long b) reentrant  //十進(jìn)制顯示無(wú)符號(hào)長(zhǎng)整形數(shù)
{
    if(b==16){PrintLong(n);return;}
	if(n/b)
	    PrintLUN(n/b,b);
	PrintChar(n%b+'0');
}

參考文獻(xiàn)：

1。《ROM版本下系統(tǒng)調(diào)試信息的一種顯示方法》合肥工業(yè)大學(xué) 彭良清 《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》p22頁(yè)2002(1-6)


TO BE CONTINUED...


                                浮點(diǎn)數(shù)顯示