使用系统IO和标准IO的基本原理

系统 IO 和标准 IO

系统 IO 一般指的是 Linux/Unix 系统调用中关于 I/O 操作的统称，其中包括 open、read、write、close 等操作。

与系统 IO 对应还有标准 IO，标准 IO 是 ISO 标准中 C 语言标准定义的 IO 访问接口，例如 fprintf/fgets 等 C 语言标准中定义的文件访问接口。

在 Linux 系统中 open/read/write 等函数的底层实现是通过系统调用访问的，在 STM32 的裸机中没有操作系统，更没有这些系统调用。

但是我们可以用一种其他的方式去实现这些系统 IO，而不需要操作系统。

半主机模式重写文件访问接口

这个方法其实就是利用半主机模式，去重写系统库中关于半主机接口中关于文件访问接口的底层 "弱定义" 。

这个听上去好像挺陌生的，其实很多人都使用过，就是最简单的 printf 重定向。

在 GCC 重定向 printf 到串口使用了如下代码:

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

这个就是在半主机模式下重写了 write 函数的底层接口，当系统调用 printf 函数时最终会调到 _write 函数向串口写入数据。

在 ARM 关于主机模式的文档 中，Direct semihosting C library function dependencies 一节提供了可重写的系统 IO 的底层函数。

通过重写上述列表中的函数，即可通过调用 C 库 系统 IO 访问。

构建文件系统

在上面介绍使用系统 IO 的基本原理：通过重写 _open/_write/_read 等接口，即可通过 open/write/read 接口访问。

但是以上只提供了一系列系统接口，并将其与标准 IO 绑定，可以使用 open/fopen 等函数进行访问，但是具体访问的数据依旧需要自己进行实现。

在这次测试中我选用了 LittleFS 作为文件系统，使用 RAM 中预分配的全局变量作为存储介质，构建了一个基于内存的文件系统。（开发板没有 Flash 先用 RAM 代替了。。。）

其 _open 函数如下：

// 文件描述符列表，不包括标准输入输出, 最大 fd 为 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;
}

其基本逻辑是将 open 传入的参数转换为 lfs_file_open 使用的参数，传入 lfs_file_oen, 然后分配一个空闲的文件描述符作为返回值。

在 _read 和 _write 接口中对文件描述符进行判断，当文件描述符为 0/1/2 时将数据重定向到串口，否则从文件中读写数据。代码如下：

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;
}

完成以上步骤后，便可以在程序中使用 open/read/write 等接口访问文件系统了，测试程序如下：

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);
  }

程序下载烧录后，使用串口工具查看到以下数据：

移植的用途

关于在 STM32 中使用系统 IO 的尝试，主要是为了在 STM32 上移植一些 Linux 下的第三方库。

他们很多都不可避免的使用了文件 IO 和 Posix 线程接口，对于 Posix 线程的接口在 FreeRTOS 中有提供，但是系统 IO 却没有找到什么合适的方案，于是有了这样的一种尝试。

现在好像已经有了更好的方案而不用去移植，不过使用这种方式的好处是以较少的代码可以将系统 IO 和标准 IO 进行关联。

关于半主机模式

最后提一下半主机模式：这个实质上是提供了一个在调试时访问主机数据的方法：

通过触发 SVC 指令，在 R0 寄存器中传入需要的系统调用 ID, 在 R1 寄存器中传入参数结构体的指针。

通过调试器，可以在主机接受到对应的系统调用，并进行相应的处理。

该测试程序整理好后，上传到文末 阅读原文 的 github 链接，或者发送 “测试代码” 到公众号后台获取源码。