系統(tǒng) IO 和標(biāo)準(zhǔn) IO

系統(tǒng) IO 一般指的是 Linux/Unix 系統(tǒng)調(diào)用中關(guān)于 I/O 操作的統(tǒng)稱(chēng)，其中包括 open、read、write、close 等操作。

與系統(tǒng) IO 對(duì)應(yīng)還有標(biāo)準(zhǔn) IO，標(biāo)準(zhǔn) IO 是 ISO 標(biāo)準(zhǔn)中 C 語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)定義的 IO 訪問(wèn)接口，例如 fprintf/fgets 等 C 語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)中定義的文件訪問(wèn)接口。

在 Linux 系統(tǒng)中 open/read/write 等函數(shù)的底層實(shí)現(xiàn)是通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用訪問(wèn)的，在 STM32 的裸機(jī)中沒(méi)有操作系統(tǒng)，更沒(méi)有這些系統(tǒng)調(diào)用。

但是我們可以用一種其他的方式去實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng) IO，而不需要操作系統(tǒng)。

半主機(jī)模式重寫(xiě)文件訪問(wèn)接口

這個(gè)方法其實(shí)就是利用半主機(jī)模式，去重寫(xiě)系統(tǒng)庫(kù)中關(guān)于半主機(jī)接口中關(guān)于文件訪問(wèn)接口的底層 "弱定義" 。

這個(gè)聽(tīng)上去好像挺陌生的，其實(shí)很多人都使用過(guò)，就是最簡(jiǎn)單的 printf 重定向。

在 GCC 重定向 printf 到串口使用了如下代碼:

int _write(int fd, char * ptr, int len)
{
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *) ptr, len, HAL_MAX_DELAY);
  return len;
}

這個(gè)就是在半主機(jī)模式下重寫(xiě)了 write 函數(shù)的底層接口，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)用 printf 函數(shù)時(shí)最終會(huì)調(diào)到 _write 函數(shù)向串口寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

在 ARM 關(guān)于主機(jī)模式的文檔 中，Direct semihosting C library function dependencies 一節(jié)提供了可重寫(xiě)的系統(tǒng) IO 的底層函數(shù)。

通過(guò)重寫(xiě)上述列表中的函數(shù)，即可通過(guò)調(diào)用 C 庫(kù) 系統(tǒng) IO 訪問(wèn)。

構(gòu)建文件系統(tǒng)

在上面介紹使用系統(tǒng) IO 的基本原理：通過(guò)重寫(xiě) _open/_write/_read 等接口，即可通過(guò) open/write/read 接口訪問(wèn)。

但是以上只提供了一系列系統(tǒng)接口，并將其與標(biāo)準(zhǔn) IO 綁定，可以使用 open/fopen 等函數(shù)進(jìn)行訪問(wèn)，但是具體訪問(wèn)的數(shù)據(jù)依舊需要自己進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

在這次測(cè)試中我選用了 LittleFS 作為文件系統(tǒng)，使用 RAM 中預(yù)分配的全局變量作為存儲(chǔ)介質(zhì)，構(gòu)建了一個(gè)基于內(nèi)存的文件系統(tǒng)。（開(kāi)發(fā)板沒(méi)有 Flash 先用 RAM 代替了。。。）

其 _open 函數(shù)如下：

// 文件描述符列表，不包括標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出, 最大 fd 為 FS_FILE_MAX + 3
lfs_file_t *g_file_list[FS_FILE_MAX] = {0};

int _open(const char *name, int flags)
{
  int i;
  int i_flags = 0;

  if ((flags & O_CREAT)  == O_CREAT)  i_flags |= LFS_O_CREAT;
  if ((flags & O_RDONLY) == O_RDONLY) i_flags |= LFS_O_RDONLY;
  if ((flags & O_WRONLY) == O_WRONLY) i_flags |= LFS_O_WRONLY;
  if ((flags & O_RDWR)   == O_RDWR)   i_flags |= LFS_O_RDWR;

  for (i = 0; i < FS_FILE_MAX; i++)
  {
    if (g_file_list[i] == NULL)
    {
      g_file_list[i] = malloc(sizeof(lfs_file_t));
      lfs_file_open(&g_lfs, g_file_list[i], name, i_flags);
      return i + 3;
    }
  }
  
  return -1;
}

其基本邏輯是將 open 傳入的參數(shù)轉(zhuǎn)換為 lfs_file_open 使用的參數(shù)，傳入 lfs_file_oen, 然后分配一個(gè)空閑的文件描述符作為返回值。

在 _read 和 _write 接口中對(duì)文件描述符進(jìn)行判斷，當(dāng)文件描述符為 0/1/2 時(shí)將數(shù)據(jù)重定向到串口，否則從文件中讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。代碼如下：

int _write(int fd, char *pBuffer, int size)
{
  int res = 0;

  if (fd == 1 || fd ==2)
  {
    HAL_UART_Transmit(&huart3, (uint8_t *)pBuffer, size, size);
  }
  else
  {
    res = lfs_file_write(&g_lfs, g_file_list[fd], pBuffer, size);
  }

  return res;
}

完成以上步驟后，便可以在程序中使用 open/read/write 等接口訪問(wèn)文件系統(tǒng)了，測(cè)試程序如下：

fs_init();

  write(STDOUT_FILENO, "system init ...n", 17);
  
  mkdir("/data", 0755);
  fd = open("/data/ascii.txt", O_CREAT|O_WRONLY);
  
  for (ch = 32; ch < 126; ch++)
  {
    write(fd, &ch, 1);
  }
  close(fd);

  fd = open("/data/ascii.txt", O_RDONLY);
  while (1)
  {
    char buff[16];
    int res = read(fd, buff, 16);
    if (res < 0)
    {
      close(fd);
      break; 
    }

    printf("system tick: %"PRIu32"n", HAL_GetTick());
    printf("read file data:%.*sn", 16, buff);
    HAL_Delay(500);
  }

程序下載燒錄后，使用串口工具查看到以下數(shù)據(jù)：

移植的用途

關(guān)于在 STM32 中使用系統(tǒng) IO 的嘗試，主要是為了在 STM32 上移植一些 Linux 下的第三方庫(kù)。

他們很多都不可避免的使用了文件 IO 和 Posix 線程接口，對(duì)于 Posix 線程的接口在 FreeRTOS 中有提供，但是系統(tǒng) IO 卻沒(méi)有找到什么合適的方案，于是有了這樣的一種嘗試。

現(xiàn)在好像已經(jīng)有了更好的方案而不用去移植，不過(guò)使用這種方式的好處是以較少的代碼可以將系統(tǒng) IO 和標(biāo)準(zhǔn) IO 進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

關(guān)于半主機(jī)模式

最后提一下半主機(jī)模式：這個(gè)實(shí)質(zhì)上是提供了一個(gè)在調(diào)試時(shí)訪問(wèn)主機(jī)數(shù)據(jù)的方法：

通過(guò)觸發(fā) SVC 指令，在 R0 寄存器中傳入需要的系統(tǒng)調(diào)用 ID, 在 R1 寄存器中傳入?yún)?shù)結(jié)構(gòu)體的指針。

通過(guò)調(diào)試器，可以在主機(jī)接受到對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用，并進(jìn)行相應(yīng)的處理。

該測(cè)試程序整理好后，上傳到文末 閱讀原文 的 github 鏈接，或者發(fā)送 “測(cè)試代碼” 到公眾號(hào)后臺(tái)獲取源碼。