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手把手教你用UART实现printf重定向：从原理到实战的完整指南

你有没有过这样的经历？
代码烧进单片机后，一切看似正常——LED在闪、电机在转，但程序到底运行到了哪一步？变量值对不对？心里完全没底。这时候，如果能像写PC程序那样，加一句printf("x = %d\n", x);就能看到输出，该多好！

遗憾的是，大多数嵌入式设备没有显示器，也没有键盘。那我们还能不能用printf？答案是：完全可以！而且方法比你想得更简单。

本文将带你一步步打通“在MCU上使用printf”的任督二脉。不是照搬手册，而是从一个工程师的真实视角出发，讲清楚背后的机制、常见的坑、以及如何写出稳定可靠的串口打印功能。

为什么我们需要“重定向”？

在标准C环境中，printf默认把内容输出到“标准输出”（stdout），也就是你的电脑终端或控制台。但在裸机嵌入式系统中，并不存在这个“终端”。此时，调用printf实际上调用了C库中的一个弱符号函数——通常是_write。

这个函数原本是个空壳，它的作用就是：当有人想往 stdout 写数据时，由你来决定这些数据去哪儿。

所以，“重定向”的本质其实非常朴素：

拦截标准输出请求，把每个字符通过UART发出去。

听起来是不是很简单？但要真正用起来不出错，还得搞明白几个关键点。

UART不是魔法，它是怎么传数据的？

先别急着写代码，咱们得知道UART是怎么工作的。否则一旦出问题，连查都不知道从哪儿查起。

UART是一种异步串行通信协议，意味着它不需要时钟线同步，只靠双方事先约定好的波特率来协调收发节奏。

数据帧长什么样？

一次典型的UART传输包含以下几个部分：

举个例子：你要发送字符'A'（ASCII码为0x41），采用8N1格式（8数据位、无校验、1停止位），那么实际在线路上看到的就是这样一串电平变化：

[低] 1 0 0 0 0 0 1 0 [高] → 总共10位 ↑ ↑ LSB MSB + 停止

注意：低位先发（LSB first），这是UART的默认规则。

波特率必须匹配！

如果你的MCU设置的是115200 bps，而串口助手设成了9600，结果只能是乱码或者根本收不到数据。

而且别忘了：晶振不准也会导致波特率偏差。一般要求误差小于±2%，否则采样会出错。建议开发阶段使用外部晶振，而不是内部RC振荡器。

printf 到底干了啥？别被它的表象骗了

很多人以为printf是直接和硬件打交道的，其实不然。它只是一个高级封装，真正的输出动作是由底层系统调用完成的。

当你写下这行代码：

printf("Temp: %.2f°C\n", temp);

背后发生了什么？

1. printf解析格式字符串；
2. 把浮点数temp转成'2','3','.','5','6'这样的字符；
3. 把整个字符串放进缓冲区；
4. 最终调用_write(1, buffer, len)—— 这才是关键！

这里的file=1表示标准输出（stdout），ptr是字符数组，len是长度。

也就是说，只要我们自己实现一个_write函数，就能接管所有printf的输出行为。

开始动手：让printf从串口“说话”

第一步：确保你用的是支持 newlib 的工具链

本文基于ARM-GCC + Newlib（或 newlib-nano）环境，常见于STM32CubeIDE、Keil AC5/AC6、GCC ARM Embedded等开发平台。

如果是IAR或其他编译器，对应的函数名可能是__write或_sys_write，需要查阅对应文档。

第二步：实现底层UART发送函数

假设你已经配置好了UART外设，比如USART1，波特率115200，8N1。你需要提供一个最基础的阻塞式发送函数：

// uart_driver.h void uart_send_byte(uint8_t ch); // 等待发送完成（轮询方式） void uart_send_byte(uint8_t ch) { while (!(USART1->SR & USART_SR_TXE)); // 等待发送寄存器空 USART1->DR = ch; }

✅ 提示：如果你用的是HAL库，可以用HAL_UART_Transmit(&huart1, &ch, 1, 100)替代。

第三步：重写_write函数

现在到了最关键的一步：

#include <stdio.h> #include <unistd.h> // 提供 STDOUT_FILENO 和 STDERR_FILENO int _write(int file, char *ptr, int len) { if (file != STDOUT_FILENO && file != STDERR_FILENO) { return -1; // 不处理其他文件描述符 } for (int i = 0; i < len; i++) { // 如果是换行符 \n，自动补一个回车 \r if (ptr[i] == '\n') { uart_send_byte('\r'); } uart_send_byte(ptr[i]); } return len; // 返回成功发送的字节数 }

就这么几行代码，printf就能用了！

为什么加\r？

因为Windows系统的串口终端（如PuTTY、XCOM）通常需要\r\n才能正确换行。Linux/macOS下\n就够了。为了兼容性，我们在遇到\n时主动加上\r。

主函数里试试看

int main(void) { system_init(); // 芯片初始化 uart_init(115200); // 初始化UART printf("🎉 System boot OK! Hello from embedded world!\n"); int count = 0; while (1) { printf("Count = %d, Time=%.3fs\n", count, count * 0.1f); delay_ms(1000); count++; } }

打开串口助手，设置波特率115200，选择正确的COM口，你应该能看到清晰的输出：

🎉 System boot OK! Hello from embedded world! Count = 0, Time=0.000s Count = 1, Time=0.100s ...

恭喜你，已经完成了嵌入式调试的第一道“成人礼”。

常见问题与避坑指南

❌ 问题1：串口显示乱码或乱七八糟的字符

排查思路：
- ✅ 检查波特率是否一致（MCU和串口助手都要确认）
- ✅ 检查主频配置是否正确（影响UART时钟源）
- ✅ 检查GPIO是否配置为复用推挽输出
- ✅ 检查TX/RX是否接反（TTL电平直连即可）

🛠 工具推荐：用示波器抓一下TX引脚波形，观察周期是否符合115200bps（约8.7μs/bit）。

❌ 问题2：程序卡死在printf上

最常见的原因是开启了浮点格式输出%f，但未启用浮点支持。

Newlib默认不包含浮点转换代码，除非你显式告诉链接器需要它。

解决方案一：强制链接浮点版本

在编译选项中添加：

-u _printf_float

同时使用 nano 版本减少体积：

-specs=nano.specs -specs=nosys.specs

解决方案二：避免使用%f

改用整数模拟小数输出：

float t = 23.56f; printf("Temp: %d.%02d°C\n", (int)t, (int)(t*100)%100);

这样既节省空间，又避免依赖FPU。

❌ 问题3：多任务环境下输出混乱

如果你在RTOS中多个任务都调用printf，可能会出现类似下面这种“拼接怪”：

Task1: coTask2: hello unter=5

这是因为_write函数是非原子操作，两个任务交替写入导致数据交错。

解决办法：加锁保护

以FreeRTOS为例：

extern SemaphoreHandle_t print_mutex; int _write(int file, char *ptr, int len) { if (file != STDOUT_FILENO) return -1; if (xSemaphoreTake(print_mutex, pdMS_TO_TICKS(10)) != pdTRUE) { return -1; // 超时放弃 } for (int i = 0; i < len; i++) { if (ptr[i] == '\n') uart_send_byte('\r'); uart_send_byte(ptr[i]); } xSemaphoreGive(print_mutex); return len; }

记得在系统初始化时创建互斥量：

print_mutex = xSemaphoreCreateMutex();

性能优化：别让调试拖慢系统

虽然轮询+阻塞的方式最简单，但它有个致命缺点：每发一个字节，CPU就得停下来等。这对实时性要求高的系统来说不可接受。

进阶方案：使用中断+FIFO缓冲区

我们可以改造uart_send_byte()，让它只负责把数据放入环形缓冲区，然后启动中断发送：

#define TX_BUFFER_SIZE 128 static uint8_t tx_buffer[TX_BUFFER_SIZE]; static volatile uint16_t tx_head, tx_tail; void uart_send_byte(uint8_t ch) { uint16_t next = (tx_head + 1) % TX_BUFFER_SIZE; while (next == tx_tail); // 简单阻塞等待缓冲区有空（可改为返回错误） __disable_irq(); tx_buffer[tx_head] = ch; tx_head = next; __enable_irq(); // 启动发送中断（如果尚未开启） USART1->CR1 |= USART_CR1_TXEIE; }

然后在中断服务程序中逐个发送：

void USART1_IRQHandler(void) { if (USART1->SR & USART_SR_TXE) { if (tx_tail != tx_head) { USART1->DR = tx_buffer[tx_tail]; tx_tail = (tx_tail + 1) % TX_BUFFER_SIZE; } else { // 缓冲区空，关闭中断 USART1->CR1 &= ~USART_CR1_TXEIE; } } }

这样一来，_write函数几乎不占用时间，大大提升系统响应能力。

更优雅的做法：封装日志接口

不要到处写裸printf，建议统一封装一层日志宏：

#define LOG_ENABLE #ifdef LOG_ENABLE #define LOG_DEBUG(fmt, ...) printf("[DBG] " fmt "\n", ##__VA_ARGS__) #define LOG_INFO(fmt, ...) printf("[INF] " fmt "\n", ##__VA_ARGS__) #define LOG_WARN(fmt, ...) printf("[WRN] " fmt "\n", ##__VA_ARGS__) #define LOG_ERROR(fmt, ...) printf("[ERR] " fmt "\n", ##__VA_ARGS__) #else #define LOG_DEBUG(...) #define LOG_INFO(...) #define LOG_WARN(...) #define LOG_ERROR(...) #endif

好处显而易见：
- 输出带级别标识，便于过滤；
- 发布版本中一键关闭所有日志；
- 后期可轻松替换为更复杂的日志系统（如SD卡存储、网络上报）。

半主机 vs UART重定向？别再用半主机了！

有些初学者喜欢用半主机（semihosting），因为它能让printf直接输出到IDE的调试控制台，看起来很方便。

但它的代价太高了：

一句话总结：半主机适合快速验证，UART重定向才是工程级选择。

写在最后：掌握这项技能意味着什么？

当你能在任何一块新板子上快速搭起printf输出通道，你就拥有了一个强大的“探针”。

无论是验证ADC读数、跟踪状态机跳转、还是排查通信协议错误，一条简单的打印语句往往胜过千言万语的猜测。

更重要的是，这个过程教会你一件事：

标准库不是黑盒，只要你愿意深入，就能把它变成你想要的样子。

而这，正是嵌入式开发的魅力所在。

如果你正在学习STM32、GD32、ESP32或者其他Cortex-M系列芯片，不妨现在就动手试一试。哪怕只是打印出第一句"Hello, UART!"，也是迈向专业嵌入式开发者的重要一步。

有什么问题欢迎留言交流，我们一起踩坑、填坑、成长。