系統 IO 和標準 IO

系統 IO 一般指的是 Linux/Unix 系統調用中關于 I/O 操作的統稱，其中包括 open、read、write、close 等操作。

與系統 IO 對應還有標準 IO，標準 IO 是 ISO 標準中 C 語言標準定義的 IO 訪問接口，例如 fprintf/fgets 等 C 語言標準中定義的文件訪問接口。

在 Linux 系統中 open/read/write 等函數的底層實現是通過系統調用訪問的，在 STM32 的裸機中沒有操作系統，更沒有這些系統調用。

但是我們可以用一種其他的方式去實現這些系統 IO，而不需要操作系統。

半主機模式重寫文件訪問接口

這個方法其實就是利用半主機模式，去重寫系統庫中關于半主機接口中關于文件訪問接口的底層 "弱定義" 。

這個聽上去好像挺陌生的，其實很多人都使用過，就是最簡單的 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;
}

這個就是在半主機模式下重寫了 write 函數的底層接口，當系統調用 printf 函數時最終會調到 _write 函數向串口寫入數據。

在 ARM 關于主機模式的文檔 中，Direct semihosting C library function dependencies 一節提供了可重寫的系統 IO 的底層函數。

通過重寫上述列表中的函數，即可通過調用 C 庫 系統 IO 訪問。

構建文件系統

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

但是以上只提供了一系列系統接口，并將其與標準 IO 綁定，可以使用 open/fopen 等函數進行訪問，但是具體訪問的數據依舊需要自己進行實現。

在這次測試中我選用了 LittleFS 作為文件系統，使用 RAM 中預分配的全局變量作為存儲介質，構建了一個基于內存的文件系統。（開發板沒有 Flash 先用 RAM 代替了。。。）

其 _open 函數如下：

// 文件描述符列表，不包括標準輸入輸出, 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 傳入的參數轉換為 lfs_file_open 使用的參數，傳入 lfs_file_oen, 然后分配一個空閑的文件描述符作為返回值。

在 _read 和 _write 接口中對文件描述符進行判斷，當文件描述符為 0/1/2 時將數據重定向到串口，否則從文件中讀寫數據。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 等接口訪問文件系統了，測試程序如下：

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據：

移植的用途

關于在 STM32 中使用系統 IO 的嘗試，主要是為了在 STM32 上移植一些 Linux 下的第三方庫。

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

現在好像已經有了更好的方案而不用去移植，不過使用這種方式的好處是以較少的代碼可以將系統 IO 和標準 IO 進行關聯。

關于半主機模式

最后提一下半主機模式：這個實質上是提供了一個在調試時訪問主機數據的方法：

通過觸發 SVC 指令，在 R0 寄存器中傳入需要的系統調用 ID, 在 R1 寄存器中傳入參數結構體的指針。

通過調試器，可以在主機接受到對應的系統調用，并進行相應的處理。

該測試程序整理好后，上傳到文末 閱讀原文 的 github 鏈接，或者發送 “測試代碼” 到公眾號后臺獲取源碼。