STM32的 syscalls.c 和 sysmem.c

syscalls.c 是 STM32CubeIDE 自动生成的标准系统调用适配文件，用于裸机环境下支持 newlib 标准库（如 printf, scanf, malloc）的运行。这份文件提供了标准库运行所需的最小系统调用实现。现在我来逐段解析其作用，并补充你可能需要修改或关注的地方。

🧩 主要用途

该文件让 标准C库函数 在没有操作系统的 STM32 环境中可以正常工作。特别是：

printf() 调用 _write()（需要重定向到串口）
scanf() 调用 _read()（需要接收串口输入）
malloc() 依赖 _sbrk()（位于另一个文件 sysmem.c 中）

📄 文件结构解析

🔹 引入的头文件

c 复制代码

#include <sys/stat.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <time.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/times.h>

用于提供标准类型定义和错误码，支持不同系统调用的原型和实现。

🔹 环境变量（通常忽略）

c 复制代码

char *__env[1] = { 0 };
char **environ = __env;

🔹 核心系统调用函数（重点）

1. `_write()`: 用于 `printf`

c 复制代码

__attribute__((weak)) int _write(int file, char *ptr, int len)
{
  (void)file;
  for (int i = 0; i < len; i++)
    __io_putchar(*ptr++);
  return len;
}

⚠️ __io_putchar() 是 弱函数（weak），你需要在项目中自己实现这个函数，常用于串口重定向：

c 复制代码

int __io_putchar(int ch)
{
  HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t *)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);
  return ch;
}

2. `_read()`: 用于 `scanf`

c 复制代码

__attribute__((weak)) int _read(int file, char *ptr, int len)
{
  for (int i = 0; i < len; i++)
    *ptr++ = __io_getchar();
  return len;
}

你也需实现 __io_getchar()，如：

c 复制代码

int __io_getchar(void)
{
  uint8_t ch;
  HAL_UART_Receive(&huart2, &ch, 1, HAL_MAX_DELAY);
  return ch;
}

🔹 其他系统调用（通常不使用，但需要实现以避免链接错误）

这些函数都是 dummy 实现（返回错误码），用于满足编译要求：

函数	用途/说明
`_exit()`	程序退出，死循环防止退出
`_kill()`	假设无信号机制，返回错误
`_getpid()`	返回 PID 1，占位
`_close()`	文件关闭，占位
`_fstat()`	标识为字符设备
`_isatty()`	判断文件是否为终端，返回1
`_lseek()`	文件定位，占位
`_open()`	打开文件，占位
`_unlink()`	删除文件，占位
`_fork()`	无进程管理，占位
`_execve()`	不支持执行程序
`_wait()`	无子进程支持，占位
`_times()`	占位
`_link()`	占位
`_stat()`	占位

✅ 如何启用 UART 输出功能？

确保开启 UART （比如 USART2）并启用 HAL_UART_Transmit。
添加以下函数实现（在 main.c 或独立 retarget.c 文件）：

c 复制代码

int __io_putchar(int ch)
{
  HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t *)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);
  return ch;
}

int __io_getchar(void)
{
  uint8_t ch;
  HAL_UART_Receive(&huart2, &ch, 1, HAL_MAX_DELAY);
  return ch;
}

📝 如果你想改为 `fputc()` 重定向，也可以用以下方式：

c 复制代码

int fputc(int ch, FILE *f)
{
  HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t *)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);
  return ch;
}

不过 __io_putchar 更适合与 CubeIDE 生成的 syscalls.c 搭配使用。

🔚 总结

方面	内容
是否需要改动？	如果你要使用 `printf/scanf`，是的！
推荐修改点	实现 `__io_putchar` 和 `__io_getchar`
使用 `HAL_UART` 示例？	是，可用于 STM32 串口输出

你提供的 sysmem.c 是 STM32CubeIDE 自动生成的内存分配支持文件，主要目的是实现标准 C 库 malloc 系列函数所依赖的 _sbrk() 系统调用。

这是嵌入式裸机编程中用于支持动态内存分配的 标准方法。

🔍 核心作用：实现 `_sbrk()`

✅ `_sbrk(ptrdiff_t incr)` 说明

该函数负责从 RAM 中划出堆空间。

c 复制代码

void *_sbrk(ptrdiff_t incr)

incr: 要增加的堆大小（单位：字节）
返回值: 成功时返回旧的堆尾地址，失败返回 (void *) -1 并设置 errno = ENOMEM

🧠 工作原理

它通过链接脚本中的符号 _end, _estack, _Min_Stack_Size 来判断内存边界：

c 复制代码

 RAM 起始地址 → [.data][.bss][heap → → →] ... [stack] ← ← ← ← ← _estack（RAM末端）
                                   ↑       ↑
                                 _end   _estack

__sbrk_heap_end：当前堆的"末尾指针"
_end：链接脚本中定义的 静态数据段结束地址（堆的起始）
_estack：RAM 顶部（栈的起点）
_Min_Stack_Size：为主堆栈指针（MSP）保留的空间，避免栈和堆冲突

⚠️ 如果你用的是默认 STM32CubeIDE 生成的 .ld 链接脚本，这些符号是自动生成的，你无需手动添加。

🧩 链接脚本中通常有以下内容（例如）：

ld 复制代码

  ._user_heap_stack :
  {
    . = ALIGN(8);
    PROVIDE ( end = . );
    PROVIDE ( _end = . );
    . = . + _Min_Heap_Size;
    . = . + _Min_Stack_Size;
    . = ALIGN(8);
  } >RAM

⚠️ 如果你使用 `malloc()` 报错或崩溃...

确保链接器脚本中定义了 _end, _estack, _Min_Stack_Size
确保在 sysmem.c 中 _sbrk() 没有超出 max_heap
调整堆栈大小：STM32CubeIDE 中修改：
复制代码
```
Project -> Properties -> C/C++ Build -> Settings -> Tool Settings -> MCU Settings
```
- 增大 Heap size
- 调整 Stack size

✅ 示例：在 STM32 中使用 `malloc()`

c 复制代码

#include <stdlib.h>

char *buf = malloc(100);
if (!buf) {
  // 分配失败，内存不足
}

该调用会通过 malloc() → sbrk() 来从 RAM 中申请空间

📝 总结

项目	内容
文件作用	支持 `malloc` 的底层实现
关键函数	`_sbrk()`
内存边界判断依据	`_end`, `_estack`, `_Min_Stack_Size`
错误处理	堆超出栈保留区时返回 `ENOMEM`

Makefile 中用于链接（linking）的部分配置，主要用来指导 GCC 如何链接目标文件、库文件和链接脚本。

我们来逐项解释这几行内容。

🔍 内容逐行解析

makefile 复制代码

# libraries
LIBS = -lc -lm -lnosys

-lc：链接标准 C 库（libc）
-lm：链接数学库（libm），例如支持 sin, cos, sqrt
-lnosys：链接 libnosys.a，这是一个提供最小系统调用桩函数的库（避免链接错误）

makefile 复制代码

LIBDIR =

makefile 复制代码

LDFLAGS = $(MCU) -specs=nano.specs -T$(LDSCRIPT) $(LIBDIR) $(LIBS) \
  -Wl,-Map=$(BUILD_DIR)/$(TARGET).map,--cref \
  -Wl,--gc-sections

这是构造链接参数的完整语句，分解如下：

参数	说明
`$(MCU)`	MCU 相关的 GCC 参数（如 `-mcpu=cortex-m4 -mthumb`）
`-specs=nano.specs`	使用轻量级 nano newlib（`newlib-nano`），适合嵌入式系统
`-T$(LDSCRIPT)`	指定链接脚本路径，例如 `stm32f4xx.ld`
`$(LIBDIR)`	库目录参数（未定义时留空）
`$(LIBS)`	链接所需的库，如 `-lc`, `-lm`, `-lnosys`
`-Wl,-Map=...`	让 `ld` 生成 `.map` 文件，帮助查看内存布局和符号
`--cref`	在 `.map` 文件中启用交叉引用
`--gc-sections`	丢弃未使用的段，减小最终二进制体积

🔧 举例：使用这些参数生成固件

假设你运行 arm-none-eabi-gcc 手动链接：

bash 复制代码

arm-none-eabi-gcc main.o startup_stm32f4xx.o \
  -mcpu=cortex-m4 -mthumb \
  -specs=nano.specs \
  -Tstm32f4xx.ld \
  -lc -lm -lnosys \
  -Wl,-Map=output.map,--cref \
  -Wl,--gc-sections \
  -o firmware.elf

✅ 关于 `-lnosys` 的补充

libnosys.a 是 newlib 提供的最小系统调用实现库。
它中断了 exit(), _kill(), _getpid() 等函数的调用链。
通常你会通过 syscalls.c 或自己实现 _write(), _sbrk() 来覆盖它。

✅ 关于 `-specs=nano.specs`

它会让 gcc 使用 libc_nano.a 和 libg_nano.a
这是为嵌入式优化的版本，更小但功能有限，适用于 STM32、ARM Cortex-M 等资源受限环境。

🧠 提示

如果你想使用 printf() 的浮点功能（在 nano.specs 下默认关闭），你需要额外加：

makefile 复制代码

-Wl,-u,_printf_float

或在 LDFLAGS 中加：

makefile 复制代码

LDFLAGS += -Wl,-u,_printf_float

✅ 总结

项	用途
`-lnosys`	提供默认的空系统调用，避免链接错误（可被用户定义的 `_write` 等函数替代）
`-specs=nano.specs`	使用轻量 newlib 版本，适合嵌入式
`-T$(LDSCRIPT)`	指定 `.ld` 链接脚本路径
`-Wl,--gc-sections`	去掉未用段，减小大小
`-Map=...`	生成 map 文件，调试内存和符号使用情况

USE_NEWLIB_REENTRANT（或在 FreeRTOSConfig.h 中叫 configUSE_NEWLIB_REENTRANT）是一个和 FreeRTOS + newlib 标准 C 库 集成相关的重要配置项，确实需要谨慎使用。

🧠 什么是 `USE_NEWLIB_REENTRANT`？

简单说：

它表示是否为每个 FreeRTOS 任务分配一个 独立的 newlib 重入结构体 struct _reent ，以支持 线程安全的标准 C 函数（如 printf, malloc 等）。

🔧 背景：newlib 是单线程库

标准的 newlib（ARM GCC 默认使用的 C 标准库）不是线程安全的。比如：

全局变量 errno
全局堆指针
malloc() / free()

如果多任务同时调用这些函数，可能发生内存损坏或数据错乱。

✅ 设置 `configUSE_NEWLIB_REENTRANT = 1` 的作用

启用后：

FreeRTOS 会为每个任务分配一个独立的 struct _reent
标准库中的函数会使用当前任务的 reent 结构
保证 malloc()、errno、printf() 等的线程安全性

⚠️ 警告与注意事项

❗ 1. 你必须使用 `newlib-nano` 或 `newlib`

启用 configUSE_NEWLIB_REENTRANT = 1 的前提是你项目确实在使用 newlib，否则会报错：

复制代码

cannot open source file "reent.h"

如果你没有用 -specs=nano.specs 或 -lc 之类的 newlib 库，启用这个配置毫无意义还会出错。

❗ 2. 你必须提供必要的系统调用（`_sbrk`, `_write`, 等）

CubeMX 会生成 syscalls.c/sysmem.c，你必须保留它们。

否则 malloc()、printf() 就无法工作。

❗ 3. 你可能还需要实现 `__malloc_lock()` 和 `__malloc_unlock()`

如果你使用的是 full newlib（不是 nano 版），malloc 默认是非线程安全的，除非你实现：

c 复制代码

void __malloc_lock(struct _reent *r) {
  taskENTER_CRITICAL(); // 或者使用 mutex
}

void __malloc_unlock(struct _reent *r) {
  taskEXIT_CRITICAL();
}

🔍 启用方式

在 FreeRTOSConfig.h 中加上：

c 复制代码

#define configUSE_NEWLIB_REENTRANT 1

然后确保：

编译器链接了 newlib/newlib-nano（一般 -lc -lrdimon -lnosys）
有 syscalls.c、sysmem.c
编译器路径中包含了 reent.h（通常自动包含）

❌ 不建议随意启用的原因

官方警告你很清楚：

⚠️ "FreeRTOS does not use newlib itself. If you enable reentrancy, you are responsible for making it work safely."

启用后：

系统内存占用增加（每个任务增加 struct _reent）
锁管理交给你自己实现
如果你不理解 malloc、errno 的底层行为，很容易出错

✅ 总结

配置项	作用
`configUSE_NEWLIB_REENTRANT = 1`	每个任务都有独立 `reent` 结构，支持线程安全 `newlib`

启用前需满足	说明
使用 newlib 库	链接 `-lc`（默认是）或 `-specs=nano.specs`
包含 `reent.h` 头文件	通常自动包含于 newlib
提供系统调用（如 `_sbrk()`）	用于 `malloc` 等
了解线程安全需求	特别是 `__malloc_lock()` 等

当你在 STM32CubeMX 中启用了 FreeRTOS，它可能会在"Project Report"或生成代码时提示你：

提示：configUSE_NEWLIB_REENTRANT is enabled. You must ensure newlib is thread-safe and syscalls are implemented properly.

这是一个 重要但非致命 的提示，意思是你需要为启用 configUSE_NEWLIB_REENTRANT = 1 做额外准备工作。下面是详细解释和应对方法：

🔍 提示含义详解

当你在 CubeMX 中启用：

Use Newlib reentrant

它就会在生成的 FreeRTOSConfig.h 中添加：

c 复制代码

#define configUSE_NEWLIB_REENTRANT 1

并提示你：你必须确保系统环境满足 Newlib 多线程安全运行的条件，否则可能引发运行时错误。

✅ 要做的准备（否则会踩坑）

条件	说明
✅ 使用 newlib 标准版而非 `nano`	`nano` 是精简版，不完整支持线程安全结构
✅ 正确实现了 syscalls，如 `_sbrk()`, `_write()` 等	否则 `malloc()`、`printf()` 等会失效
✅ 每个任务堆栈空间足够（通常 ≥ 256 字节）	否则 newlib 的 `_reent` 结构体无法分配
✅ `heap_3.c` 要求线程锁保护 `malloc()`	推荐改用 `heap_useNewlib.c` 或 `heap_4.c`

🛠 关键实现步骤

① 项目设置中使用 full `newlib`

在 STM32CubeIDE 中：

Project > Properties > C/C++ Build > Settings
进入 Tool Settings > MCU GCC Linker > Libraries
❌ 取消勾选 Use newlib-nano (--specs=nano.specs)
✔️ 保留或添加 --specs=nosys.specs

② 实现系统调用 `syscalls.c`（如果还没有）

你需要提供如下函数，至少要包括：

c 复制代码

void *_sbrk(ptrdiff_t incr);     // 用于 malloc 内存扩展
int _write(int file, char *ptr, int len);  // 用于 printf 输出

✅ 示例 _sbrk() 实现：

c 复制代码

extern char _end; // Defined in linker script
static char *heap_end;

void *_sbrk(ptrdiff_t incr) {
    char *prev_heap_end;
    if (heap_end == 0)
        heap_end = &_end;

    prev_heap_end = heap_end;
    heap_end += incr;
    return (void *) prev_heap_end;
}

③ 使用线程安全的 `malloc()` 方案（可选）

如果你使用 heap_3.c（基于标准 malloc），你需要启用锁支持，否则多个任务调用会冲突。

✅ 更好的方式：

使用 heap_useNewlib.c（基于 Dave Nadler 的线程安全 malloc）
或使用 heap_4.c + pvPortMalloc() 替代系统 malloc

✅ 示例配置（FreeRTOSConfig.h）

c 复制代码

#define configUSE_NEWLIB_REENTRANT 1
#define configTOTAL_HEAP_SIZE     (10 * 1024)

✅ 示例任务（带 printf）

c 复制代码

void TaskPrint(void *pvParameters) {
    while (1) {
        printf("Hello from task %s\n", pcTaskGetName(NULL));
        vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));
    }
}

✅ 如何验证配置正确

测试	正常现象
`printf()` 在多个任务中输出	没有乱码、不会崩溃
`malloc()` 在任务中使用	分配正常、无崩溃
`errno` 在任务间隔离	每个任务 errno 不冲突

📌 总结

这条提示的真正含义是：

启用了线程安全支持后，你必须确保 newlib 运行环境完整、堆/栈足够、syscalls 正确、malloc 线程安全，否则系统将不可预期。

当启用configUSE_NEWLIB_REENTRANT后，每个任务的栈空间需求会显著增加，因为需要为每个任务分配独立的C库上下文。

栈空间需求

基本推荐值

c 复制代码

// 最小栈大小建议
#define configMINIMAL_STACK_SIZE    ((unsigned short)512)  // 2KB (512 * 4字节)

// 实际任务栈大小建议
xTaskCreate(TaskFunction, 
            "TaskName", 
            1024,        // 4KB栈空间
            NULL, 
            Priority, 
            &TaskHandle);

不同使用场景的栈大小

1. 简单任务（只有基本操作）

c 复制代码

#define SIMPLE_TASK_STACK_SIZE    512   // 2KB

2. 使用printf/sprintf的任务

c 复制代码

#define PRINTF_TASK_STACK_SIZE    1024  // 4KB

3. 使用malloc/free的任务

c 复制代码

#define MALLOC_TASK_STACK_SIZE    1024  // 4KB

4. 使用文件系统操作的任务

c 复制代码

#define FILE_TASK_STACK_SIZE      2048  // 8KB

栈空间增加的原因

启用configUSE_NEWLIB_REENTRANT后增加的开销包括：

struct _reent结构体：约400-600字节
I/O缓冲区：printf等函数的缓冲区
malloc堆管理：每个任务的堆状态信息
错误处理：errno等错误状态

实际测试建议

c 复制代码

// 栈使用情况检查
void vTaskStackCheck(void)
{
    UBaseType_t uxHighWaterMark;
    
    // 获取任务剩余栈空间
    uxHighWaterMark = uxTaskGetStackHighWaterMark(NULL);
    
    printf("Stack remaining: %d words\n", uxHighWaterMark);
}

优化建议

1. 根据实际需求调整

c 复制代码

// 不同任务使用不同栈大小
xTaskCreate(SimpleTask, "Simple", 512, NULL, 1, NULL);    // 2KB
xTaskCreate(PrintfTask, "Printf", 1024, NULL, 1, NULL);   // 4KB
xTaskCreate(FileTask, "File", 2048, NULL, 1, NULL);       // 8KB

2. 使用栈监控

c 复制代码

// 在FreeRTOSConfig.h中启用
#define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW  2

3. 考虑关闭可重入支持

如果RAM紧张，可以考虑：

c 复制代码

#define configUSE_NEWLIB_REENTRANT 0

然后使用互斥锁保护共享资源。

总结

最小推荐：512 words (2KB)
安全推荐：1024 words (4KB)
重度使用：2048 words (8KB)

建议从4KB开始，然后根据实际的栈使用情况进行调整。记住要定期检查栈的高水位标记，确保没有栈溢出的风险。

STM32的 syscalls.c 和 sysmem.c

🧩 主要用途

📄 文件结构解析

🔹 引入的头文件

🔹 环境变量（通常忽略）

🔹 核心系统调用函数（重点）

1. _write(): 用于 printf

2. _read(): 用于 scanf

🔹 其他系统调用（通常不使用，但需要实现以避免链接错误）

✅ 如何启用 UART 输出功能？

📝 如果你想改为 fputc() 重定向，也可以用以下方式：

🔚 总结

🔍 核心作用：实现 _sbrk()

✅ _sbrk(ptrdiff_t incr) 说明

🧠 工作原理

🧩 链接脚本中通常有以下内容（例如）：

⚠️ 如果你使用 malloc() 报错或崩溃...

✅ 示例：在 STM32 中使用 malloc()

📝 总结

🔍 内容逐行解析

🔧 举例：使用这些参数生成固件

✅ 关于 -lnosys 的补充

✅ 关于 -specs=nano.specs

🧠 提示

✅ 总结

🧠 什么是 USE_NEWLIB_REENTRANT？

简单说：

🔧 背景：newlib 是单线程库

✅ 设置 configUSE_NEWLIB_REENTRANT = 1 的作用

⚠️ 警告与注意事项

❗ 1. 你必须使用 newlib-nano 或 newlib

❗ 2. 你必须提供必要的系统调用（_sbrk, _write, 等）

❗ 3. 你可能还需要实现 __malloc_lock() 和 __malloc_unlock()

🔍 启用方式

❌ 不建议随意启用的原因

✅ 总结

🔍 提示含义详解

✅ 要做的准备（否则会踩坑）

🛠 关键实现步骤

① 项目设置中使用 full newlib

② 实现系统调用 syscalls.c（如果还没有）

③ 使用线程安全的 malloc() 方案（可选）

✅ 示例配置（FreeRTOSConfig.h）

✅ 示例任务（带 printf）

✅ 如何验证配置正确

📌 总结

栈空间需求

基本推荐值

不同使用场景的栈大小

栈空间增加的原因

实际测试建议

优化建议

1. 根据实际需求调整

2. 使用栈监控

3. 考虑关闭可重入支持

总结

1. `_write()`: 用于 `printf`

2. `_read()`: 用于 `scanf`

📝 如果你想改为 `fputc()` 重定向，也可以用以下方式：

🔍 核心作用：实现 `_sbrk()`

✅ `_sbrk(ptrdiff_t incr)` 说明

⚠️ 如果你使用 `malloc()` 报错或崩溃...

✅ 示例：在 STM32 中使用 `malloc()`

✅ 关于 `-lnosys` 的补充

✅ 关于 `-specs=nano.specs`

🧠 什么是 `USE_NEWLIB_REENTRANT`？

✅ 设置 `configUSE_NEWLIB_REENTRANT = 1` 的作用

❗ 1. 你必须使用 `newlib-nano` 或 `newlib`

❗ 2. 你必须提供必要的系统调用（`_sbrk`, `_write`, 等）

❗ 3. 你可能还需要实现 `__malloc_lock()` 和 `__malloc_unlock()`

① 项目设置中使用 full `newlib`

② 实现系统调用 `syscalls.c`（如果还没有）

③ 使用线程安全的 `malloc()` 方案（可选）