FreeRTOS 线程安全的printf输出（使用STM32F103）

2023-05-16

https://blog.csdn.net/baidu_23187363/article/details/53811144

环境

STM32F103开发板
HAL库（标准库也没事换个串口输出函数就行）
MDK5.28
STM32CubeMX

前言

原本直接使用串口输出来debug调试的，但是添加FreeRTOS之后出现乱码的现象。所以决定做个线程安全的printf函数来打印输出方便调试。

原因

假设一个115200的波特率发送一个8位的数据、1个停止位、1个起始位、无奇偶校验位，需要大约87us，当发送大量数据的时候很容易被中断或者其他高优先级的任务打断，从而出现乱码。

串口的重映射

参考开发板的教程printf重映射函数是这么写的

int fputc(int ch, FILE *f)
{      
	while((USART1->SR&0X40)==0);//循环发送,直到发送完毕   
    USART1->DR = (u8) ch;      
	return ch;
}

这样使用printf函数就可以实现串口1输出的，由于没有任何保护。所以有概率会出现乱码。

printf函数实现

#include "stdio.h"
#include <stdarg.h>
void print_usart1(char *format, ...)
{
    char buf[64];
	va_list ap;                //声明字符指针 ap
	va_start(ap, format);      //初始化 ap 变量
	vsprintf(buf, format, ap); //使用参数列表发送格式化输出到字符串
	HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)buf, strlen(buf), 100);//100ms内发送
	va_end(ap);
}

C标准库<stdarg.h>

va_start()

void va_start(va_list ap, last_arg)

参数：

ap – 这是一个 va_list 类型的对象，它用来存储通过 va_arg 获取额外参数时所必需的信息。
last_arg – 最后一个传递给函数的已知的固定参数。“…”之前的参数

vsprintf

int vsprintf(char *str, const char *format, va_list arg)

参数：

str – 这是指向一个字符数组的指针，该数组存储了 C 字符串。
format – 这是字符串，包含了要被写入到字符串 str 的文本。它可以包含嵌入的 format 标签，format 标签可被随后的附加参数中指定的值替换，并按需求进行格式化。
arg – 一个表示可变参数列表的对象。这应被中定义的 va_start 宏初始化。

返回值：
如果成功，则返回写入的字符总数，否则返回一个负数。

va_end

void va_end(va_list ap)

参数：

ap – 这是之前由同一函数中的 va_start 初始化的 va_list 对象。

线程安全函数构建

方案一：
我们不希望在打印到一半的时候进入别的任务线程中，我们可以使用函数挂起所有线程，打印结束再回复任务调度。
那么可以使用进入临界区的方式来保证线程安全。

void vTaskSuspendAll( void )

BaseType_t xTaskResumeAll( void )

#include "stdio.h"
#include <stdarg.h>
void print_usart1(char *format, ...)
{
    char buf[64];
	va_list ap;                //声明字符指针 ap
    vTaskSuspendAll();		   //挂起任务
	va_start(ap, format);      //初始化 ap 变量
	vsprintf(buf, format, ap); //使用参数列表发送格式化输出到字符串
	HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)buf, strlen(buf), 100);//100ms内发送
	va_end(ap);
	xTaskResumeAll();		   //恢复任务调度
}

改良方案一：
但是这种方式只是挂起了任务和恢复任务，没法保证中断安全，若出现中断嵌套还是会出现线程不安全。
所以可以使用临界区和关闭中断来保证printf线程和中断安全。当然前提我们需要构造一个函数判断是否在中断中。


#include "stdio.h"
#include <stdarg.h>
static int inHandlerMode (void) //若在中断中__get_IPSR()返回1，否则返回0
{
   return __get_IPSR();  
}
void print_usart1(char *format, ...)
{
    char buf[64];
 
    if(inHandlerMode() != 0)
	{
        taskDISABLE_INTERRUPTS();//若在中断中调用则关闭中断，防止中断嵌套造成线程不安全
	}
    else
    {
		taskENTER_CRITICAL();    //若不在中断中则进入临界区关闭中断且禁止任务调度
	}
	va_list ap;
	va_start(ap, format);
	vsprintf(buf, format, ap);
	HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)buf, strlen(buf), 100);
	va_end(ap);
	if(inHandlerMode() != 0)
	{
		taskENABLE_INTERRUPTS();//打开中断
	}else{
		taskEXIT_CRITICAL();//退出临界区
	}
}

再次改良
上述方法虽然能解决线程安全和中断安全，但是需要挂起所有任务消耗资源。所以继续改进使用任务切换的方式，若串口忙时需要打印参数，则只挂起当前任务。

 void print_usart1(char *format, ...)
{
    char buf[64];
    if(inHandlerMode() != 0)
	{
        taskDISABLE_INTERRUPTS();
	}
    else
    {
		while(HAL_UART_GetState(&huart1) == HAL_UART_STATE_BUSY_TX)//若串口忙则挂起此任务
		taskYIELD();
	}
	va_list ap;
	va_start(ap, format);
	vsprintf(buf, format, ap);
	HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)buf, strlen(buf), 100);
	va_end(ap);
	if(inHandlerMode() != 0)
	taskENABLE_INTERRUPTS();

}

#参考文章
Stone_Biny

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