printf的封装与实现

1 UART通信协议

1.1 UART通信的物理连接

图1 UART的物理连接

1.2 逻辑电平

用电平表示逻辑1和逻辑0，逻辑1和逻辑0用来组织计算机层面的数据。

1.3 电平标准

根据通讯使用的电平标准不同，串口通讯可分为 TTL标准及 RS-232 标准。

1.4 协议解析

通讯双方需要约定波特率，并约定一致的数据包格式才能保证正常收发数据。

1.4.1 波特率（bps）

单位时间内，发送数据的位数。

1.4.2 数据格式

串口通信一般以起始位作为一帧数据传输的开始，以结束位表示一帧数据传输的结束。每一帧数据一般由起始位、数据位、停止位、校验位组成。

起始位：由1个逻辑0的数据位表示；

停止位：由 0.5、1、1.5或 2个逻辑 1的数据位表示；

校验位（奇校验/偶校验）：当为奇校验时，数据位和校验位中，逻辑1的数据位的个数为奇数个；当为偶校验时，数据位和校验位中，逻辑1的数据位的个数为偶数个。

图2 115200,8n1; send 0b01000001

如图2所示，115200bps，则1/115200spb，即每传输一位需要1/115200秒，数据在(1/115200)/2处采样。

2 printf的实现

2.1 标准库中的printf

函数原型：

int printf(const char *format, ...)

返回值：

成功返回实际输出字符数，失败返回-1；

传入参数说明：

format：     固定参数

...：       可变参数；参数的个数不确定，类型不确定；

2.2 可变参数的实现原理

调用子函数，函数的参数最终会以被压入栈中，被函数使用；通过格式控制符，实现对栈中传入参数的读取和使用。

在标准库中的实现：

typedef char* va_list;

#define _INTSIZEOF(n)　　　　((sizeof(n)+sizeof(int)-1) & ~(sizeof(int)-1))       //保证4字节对齐

#define va_start(ap, v)    (ap = (va_list)&v + _INTSIZEOF(v))               //获取第一个变参在栈中的地址

#define va_arg(ap, t)　　　　(*(t *)((ap += _INTSIZEOF(t)) - _INTSIZEOF(t)))     //获取ap所指向的数据，并把ap偏移至下一个变参的地址

#define va_end(ap)　　　　  (ap = (va_list)0)                          //使ap指向空，避免野指针

　　

printf(format, arg1, arg2, arg3);参数在栈中的存放

2.3.1 对_INTSIZEOF(n)分析

栈指针总是4字节对齐的，因此使用_INTSIZEOF(n)，使变量的大小是4的倍数（实际变量在栈中占据的空间）。

#define _INTSIZEOF(n) ((sizeof(n)+sizeof(int)-1) & ~(sizeof(int)-1))，对这个宏定义有一个形象的比喻：

　　比方说有一个箱子可以装4个瓶子，

　　如果我有8个瓶子 ，那么我需要2个箱子；

　　如果我有10个瓶子呢，我不能说我需要10除4，需要2.5个箱子吧，实际上我需要3个箱子；

　　那怎么求我实际需要的箱子数呢?

　　　用一个容易理解的公式来求上述问题：

　　设我的瓶子数为B，我需要的箱子数为C，一个箱子最多可以装A个瓶子。

公式：C =（B+A-1）/ A （舍去余数）

　　因此，((sizeof(n)+sizeof(int)-1) & ~(sizeof(int)-1))相当于C * A。

2.3.2 对va_arg(ap, t)分析

#define va_arg(ap, t)     (*(t *)((ap += _INTSIZEOF(t)) - _INTSIZEOF(t)))

这个宏定义实现了两个功能：

a、ap += _INTSIZEOF(t) —— 求下一个参数的指针

b、(*(t*)((ap += _INTSIZEOF(t)) - _INTSIZEOF(t))) —— 取当前参数值，这个宏定义将返回的就是当前参数值

附录：源代码

uart.c —— 波特率：115200

debug_printf.c