STM32 USART 详解（八）：C I/O 串口重定向原理与实现

云泽8082026-09-15 19:27

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前言

大家好啊，我是云泽Q，欢迎阅读我的文章，一名热爱计算机技术的在校大学生，喜欢在课余时间做一些计算机技术的总结性文章，希望我的文章能为你解答困惑~

一、串口重定向C I/O接口的核心原理与实现

1.1 为什么要做重定向

我们在前面已经完成了串口的第一个主题------基本读写。但光能发能收还不够，我们在实际开发中，肯定需要借助串口来支持各种调试工作，甚至要用串口来进行对应的逻辑控制。

问题在于：用基本的串口读写接口，操作起来特别不方便。每次发个数据，你得组装发送缓冲、指定长度、调用发送函数，接收同理。这种"裸操作"在调试阶段效率很低。

于是我们就有了第二个主题------重定向C I/O接口。

你可能在以前学C语言时用过printf、scanf、fgets这些函数。我们要做的，就是把这些标准I/O函数的底层"偷梁换柱"，让它们走串口通道。这样一来，以后编码时直接写printf就能基于串口做格式化输出，写scanf就能从串口读取数据，开发体验会好很多。

二、printf与scanf的底层机制剖析

2.1 printf到底做了什么

printf是一个进行格式化输出的函数，这句话很关键。我们来看一个具体的例子：

c 复制代码 
int a = 12345;
printf("%d", a);

变量a在内存中是一个4字节的int类型数据 。但printf输出的并不是这4个字节，而是输出5个独立的字符 ：'1'、'2'、'3'、'4'、'5'。

整个过程分为两步：

  • 格式化的过程 ：把数值12345拆解成字符序列 '1' '2' '3' '4' '5'。
  • 输出的过程 ：调用fputc()函数，向字符设备一次写一个字符。

也就是说，printf内部先把数值按格式要求转换成字符序列，然后逐个字符地交给底层的fputc去输出。这就是为什么我们说fputc是printf的底层函数。

再看另一种情况：

c 复制代码 
printf("%d", 12345);

这里直接传了一个常量12345，效果和上面一样------先格式化成5个字符，再逐个通过fputc输出到字符设备。

核心结论 ：不管你怎么调用printf，它最终都会落到fputc这个函数上。所以我们只要改写fputc的底层实现，让它走USART（串口）而不是走默认的显示器设备，printf的输出就自然被重定向到串口了。

2.2 scanf的底层机制

scanf是printf的逆过程------它是一个进行格式化输入的函数。

c 复制代码 
int a = 0;
scanf("%d", &a);

当你在上位机（串口助手）输入"12345"并回车后，实际发生的事情是：

  • 步骤a ：底层通过fgetc函数，一个字符一个字符地 获取输入，即依次读到'1'、'2'、'3'、'4'、'5'这5个字符。
  • 步骤b ：scanf内部再把这些字符转成int类型 ，最终把整数12345写入变量a所在的内存（占用4字节）。

核心结论 ：和printf依赖fputc一样，scanf的底层依赖的是fgetc。所以我们只要改写fgetc，让它从串口读取字符，scanf就能自然地从串口获取输入。

同理，fgets的底层也是fgetc。一旦fgetc被重定向到串口，scanf和fgets就同时获得了从串口读取数据的能力。

三、配置MicroLIB

在Keil中实现标准I/O重定向，有一个必须做的前置配置 ------勾选MicroLIB。

打开Keil的"Options for Target"对话框，切换到Target 选项卡，在"Code Generation"区域勾选 Use MicroLIB，然后点击OK保存。

复制代码 
Options for Target 'Usart_Redir_test'
├── Device
├── Target  ← 切换到这个标签页
│   └── Code Generation
│       └── ☑ Use MicroLIB  ← 勾选这里

为什么必须勾选？

MicroLIB是Keil提供的一个精简版C标准库，专门为嵌入式环境设计。标准C库的I/O系统默认指向半主机模式（semihosting），在没有操作系统和调试器的裸机环境下会卡死。而MicroLIB提供了更灵活的底层I/O接口，允许我们通过重写fputc和fgetc来接管标准I/O的输入输出通道。

如果不勾选MicroLIB，即便你重写了fputc和fgetc，printf也不会走你的自定义函数，而是走默认的半主机模式，程序会直接卡住。

四、fputc函数的重定向实现

4.1 函数原型

fputc的标准函数原型定义在stdio.h中：

c 复制代码 
int fputc(int ch, FILE *fp);
  • ch：要输出的字符（以int类型传入）。
  • fp：文件指针，指向输出流（如stdout）。

在我们的嵌入式环境中，fp参数实际上用不到，因为所有输出都走串口。但函数签名必须和标准库保持一致，所以参数不能去掉。为了消除编译器对未使用参数的警告，我们使用UNUSED宏来处理：

c 复制代码 
#define UNUSED(X) (void)X    /* To avoid gcc/g++ warnings */

4.2 完整实现代码

c 复制代码 
/* USER CODE BEGIN 4 */
int fputc(int ch, FILE *fp)
{
    UNUSED(fp);
    
    if(HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY) == HAL_OK)
    {
        return ch;
    }
    return EOF;
}
/* USER CODE END 4 */

逐行解析：

  • UNUSED(fp)：显式告知编译器fp参数不会使用，消除编译警告。
  • HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY)：调用HAL库的串口发送函数，将字符ch通过USART1发送出去。参数含义：
    • &huart1：串口1的句柄。
    • (uint8_t*)&ch：将字符的地址强转为uint8_t*类型。
    • 1：发送1个字节。
    • HAL_MAX_DELAY：阻塞等待发送完成，超时时间为最大值。
  • 发送成功则返回原字符值 ch，失败则返回 EOF（即 -1）。返回值为 int 类型的设计，是为了同时支持 0~255 的正常字符值和 -1 的错误标识。

EOF的定义为：

c 复制代码 
#define EOF (-1)

4.3 主程序中的测试代码

c 复制代码 
/* Includes */
#include "main.h"
/* Private includes */
#include <stdio.h>

/* USER CODE BEGIN 2 */
char inbuffer[32];
printf("Test begin...\n");
/* USER CODE END 2 */

/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
    // 测试printf格式化输出
    printf("hello : %d, hello %.3lf, hello: %s", 123, 3.14, "STM32F103");
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOF, GPIO_PIN_8);
    // HAL_Delay(1000);
}
/* USER CODE END WHILE */

这段代码展示了格式化输出的威力------一次printf调用，就能同时输出整数（123）、浮点数（3.140）和字符串（STM32F103），全部通过串口打印出来。

在COMTO串口助手中，你会看到如下输出：

复制代码 
<= Test begin...
<= hello : 123, hello 3.140, hello: STM32F103
<= hello : 123, hello 3.140, hello: STM32F103
<= hello : 123, hello 3.140, hello: STM32F103
...

灯也跟着闪烁，说明每次循环都执行了一次printf和一次GPIO翻转。

五、fgetc函数的重定向实现

5.1 换行符问题的背景

在做串口输入重定向之前，必须解决一个回车换行符的统一问题。

不同的上位机工具、不同的操作系统，发送的换行符可能不同：

  • Windows系统通常发送 \r\n（回车+换行，即CR+LF）。
  • Linux/Unix系统发送 \n（换行）。
  • 有些工具只发送 \r（回车）。

我们的串口接收端需要做的是：**忽略\r，只保留\n**作为行结束标志。这样无论上位机发的是\r、\n还是\r\n，上层函数（如scanf、fgets）都能正确识别行结束。

5.2 完整实现代码

c 复制代码 
int fgetc(FILE *fp)
{
    UNUSED(fp);
    uint8_t ch;
    
    while(1)
    {
        if(HAL_UART_Receive(&huart1, &ch, 1, HAL_MAX_DELAY) != HAL_OK)
        {
            return EOF;
        }
        
        // 读取成功了一个字符
        if(ch != '\r')
        {
            return (int)ch;
        }
    }
}

逐行解析：

  • while(1)：无限循环，因为串口接收是阻塞式的------没有数据到来时，就一直等。
  • HAL_UART_Receive(&huart1, &ch, 1, HAL_MAX_DELAY)：从串口1接收1个字节。如果没有数据，就阻塞等待；接收到数据后存入ch。
  • 如果接收失败（返回值不等于HAL_OK），返回EOF。
  • 关键逻辑 ------换行符处理：
    • 如果ch == '\r'，不做任何处理，直接进入下一轮循环（继续读取下一个字符）。
    • 如果ch != '\r'，说明读到了普通字符或\n，直接返回该字符。

这个逻辑的精妙之处在于：

  1. 普通字符 ：ch != '\r'成立，直接返回，保持不变。
  2. \r\n组合 ：先读到\r，条件不成立，继续循环；再读到\n，ch != '\r'成立，返回\n。相当于把\r\n合并成一个\n。
  3. 单独的\n ：ch != '\r'成立，直接返回\n，保持不变。
  4. 单独的\r：条件不成立，继续循环等待下一个字符。

最终效果：无论上位机发什么换行组合，fgetc统一向上层返回\n作为行结束符。

5.3 为什么fgets和scanf会自动获得串口输入能力

前面已经讲过，scanf和fgets底层都调用fgetc来获取字符。一旦我们重写了fgetc，让它从串口读取，那么：

  • scanf("%d", &a) → 内部调用fgetc逐个读字符 → 从串口读到'1'、'2'、'3'... → 转成整数存入a。
  • fgets(inbuffer, 32, stdin) → 内部调用fgetc逐个读字符 → 从串口读到字符串 → 存入inbuffer。

这就是重定向的威力------改一个底层函数，所有依赖它的高层函数自动生效。

六、完整测试与验证

6.1 测试程序完整代码

c 复制代码 
/* Includes */
#include "main.h"
/* Private includes */
#include <stdio.h>

/* USER CODE BEGIN 2 */
char inbuffer[32];
printf("Test begin...\n");
/* USER CODE END 2 */

/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
{
    // v2版本：scanf测试
    int a = 0;
    scanf("%d", &a);
    printf("ehco->%d\n", a);
    
    HAL_GPIO_TogglePin(GPIOF, GPIO_PIN_8);
}
/* USER CODE END WHILE */

6.2 串口助手中的测试过程

打开COMTO串口助手，配置参数：

  • 端口：COM6
  • 波特率：115200
  • 数据字节：8
  • 奇偶校验：Odd
  • 停止位：1
  • 流控：None

测试一：printf格式化打印

烧写程序后，串口助手自动收到打印：

复制代码 
<= Test begin...
<= hello : 123, hello 3.140, hello: STM32F103
<= hello : 123, hello 3.140, hello: STM32F103
...

printf重定向成功。

测试二：scanf整数输入

在发送区输入123456，勾选<CRLF>（自动添加回车换行），点击发送：

复制代码 
=> 123456
<= ehco->123456

程序通过scanf从串口读到了整数123456，然后通过printf原样打印回来。注意：输入后一定要按回车 ，因为scanf("%d")需要遇到非数字字符（如\n）才会结束解析。

测试三：scanf整数溢出

输入一个超大的数值666677778888：

复制代码 
=> 666677778888
<= ehco->957848008

这个数值超出了32位int的范围（最大值约2147483647），所以发生了溢出，scanf解析出来的结果是957848008。这是正常的溢出行为，不是bug。

测试四：字符串输入（fgets）

如果你想测试字符串输入，可以使用fgets：

c 复制代码 
fgets(inbuffer, 31, stdin);
printf("ehco->%s\n", inbuffer);

在串口助手中输入hello world回车：

复制代码 
=> hello world
<= ehco->hello world

fgets能正确读取包含空格的完整字符串，并且灯会跟着闪烁一次，说明读取完成。

七、重定向的完整数据流总结

复制代码 
┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│                    用户代码层                         │
│  printf("%d", 12345)    scanf("%d", &a)             │
│  fgets(buf, 32, stdin)                              │
└──────────────────┬──────────────────┬───────────────┘
                   │                  │
                   ▼                  ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│                  标准I/O库层                          │
│  printf → 格式化为字符序列 → 调用 fputc()            │
│  scanf  → 调用 fgetc()获取字符 → 格式化为数值        │
│  fgets  → 调用 fgetc()获取字符 → 存入buffer          │
└──────────────────┬──────────────────┬───────────────┘
                   │                  │
                   ▼                  ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│                我们的重定向层（关键！）                │
│  fputc() → HAL_UART_Transmit() 发送一个字符          │
│  fgetc() → HAL_UART_Receive() 接收一个字符           │
└──────────────────┬──────────────────┬───────────────┘
                   │                  │
                   ▼                  ▼
┌─────────────────────────────────────────────────────┐
│                  硬件层（USART1）                      │
│  TX引脚发送数据    RX引脚接收数据                     │
└─────────────────────────────────────────────────────┘

一句话总结 ：标准I/O函数（printf/scanf/fgets）只关心"格式化"这件事，真正把数据搬上搬下硬件通道的脏活累活，全部交给fputc和fgetc。我们只要接管这两个底层函数，所有格式化I/O就自然拥有了串口通信能力。

结语

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