為什麼不用 MicroLib 和 printf —— Arm 的 Semihosting

結論#

結論寫在前面

首先不使用 microLib 是為了源碼行為可控，不會由於廠商的胡作非為改源 lib ，同時也使得源碼具備了跨平台的能力，不會因 C 標準庫不同產生行為差異。

由此推演，如果不使用 microLib ，那麼會引入原版 libc ，那麼 C 源庫裡的諸多交互函數，會產生 Semihosting 代碼，導致 debug 下會卡卡地運行，脫離 debug 根本無法運行。

總之，如果不使用 microLib ，其中的 C 標準庫函數的使用要非常謹慎，避免是系統交互函數產生 Semihosting 代碼。

祖宗之法不可變#

自我初入行起，我的老大就堅決禁止使用 printf 系列函數，或者乾脆說禁止所有的 libc 函數，包括 malloc 、 memset 、 strcpy 等，又或者說標準 C 庫只引入 stdint.h 、 stdlib.h 、 stdbool.h 。導致了海量自己實現的字符串操作、 buffer 操作、 trace 日誌等。如果 malloc 還可以解釋為避免線程暴栈，靜態內存可以使 bug 規模可控，其他的實現究竟為何不可用呢？

總之，祖宗之法不可變，直到現在的工程依然是這樣。

線索#

看這個家伙的 bootloader 漏洞介紹時（其實也是一個棧操作問題），看到下面這篇文章。或許可以解答這個祖宗之法的來源。

Semihosting 真的是嵌入式阑尾么？- 腾讯云开发者社区 - 腾讯云 (tencent.com)

驗證#

其中一些代碼如下。 clock (); 就是一個典型的產生系統交互的代碼。在這個工程中取消了 microLib 。

#include <stdio.h>
#include <time.h>

int main(void)
{
    // 省略一些初始化代碼
    while (1)
  	{
        clock_t tTime = clock();
        HAL_GPIO_TogglePin(GPIOH, GPIO_PIN_5);
        HAL_Delay(500);
    }
}

在 debug 調試下運行

首先是 clock () 函數相關的反匯編，將跳轉到 0x0800037C 地址運行 clock () 函數

   109: clock_t tTime = clock(); 
0x08002386 F7FDFFF9  BL.W          0x0800037C clock
0x0800238A 9001      STR           r0,[sp,#0x04]
0x0800238C F6414000  MOVW          r0,#0x1C00
0x08002390 F6C50002  MOVT          r0,#0x5802
0x08002394 2120      MOVS          r1,#0x20

clock () 函數所在，當真出現了 BKPT 軟斷點。

其中 BKPT 是 Cortex-M 的 Break Point （軟件斷點）指令，而常數 0xAB 則是 Semihosting 專用暗號。如果使用的調試工具恰好支持 Semihosting ，那麼甚至軟件不會停下並正常運行。但斷電再起就傻了，” BKPT 指令在非調試模式下執行，會直接讓 Cortex-M 處理器進入 Hardfault “。

0x0800037C 2100      MOVS          r1,#0x00
0x0800037E 2010      MOVS          r0,#0x10
0x08000380 BEAB      BKPT          0xAB ;將會停在這句，這就是 Semihosting 代碼的軟斷點
0x08000382 4905      LDR           r1,[pc,#20]  ; @0x08000398
0x08000384 6809      LDR           r1,[r1,#0x00]
0x08000386 1A40      SUBS          r0,r0,r1

開優化能否避免？#

事實上，現代的編譯器已經非常智能了，開一點優化會修復許多你自己都沒發現的 bug。

在開到 O3 的情況下進行編譯，仍然不可避免得出現 BKPT，這個 libc 應當是以二進制形式鏈接進燒錄文件的。

避免哪些函數？#

在參考文章裡有寫，摘到這裡。

1. 標準輸入 / 輸出（Standard I/O）#

printf 系列函數：例如 printf、fprintf、sprintf 等，用於格式化輸出到標準輸出設備（通常是主機的控制台）。

scanf 系列函數：例如 scanf、fscanf、sscanf 等，用於格式化輸入從標準輸入設備（通常是主機的鍵盤輸入）。

2. 文件操作（File Operations）#

fopen：打開文件。

fclose：關閉文件。

fread：從文件讀取數據。

fwrite：向文件寫入數據。

fseek：移動文件指針到指定位置。

ftell：獲取文件指針當前位置。

fflush：刷新文件輸出緩衝區。

3. 時間和日期（Time and Date）#

time：獲取當前時間。

clock：獲取處理器時間。

difftime：計算兩個時間點的時間差。

strftime：格式化時間和日期為字符串。

4. 錯誤處理（Error Handling）#

perror：輸出錯誤信息到標準錯誤設備。

strerror：返回與錯誤碼對應的錯誤信息字符串。

5. 系統調用（System Calls）#

exit：終止程序並返回狀態碼。

system：執行系統命令（在嵌入式系統中很少使用，但在主機上調試時可能有用）。

6. 其他輔助功能（Other Auxiliary Functions）#

getenv：獲取環境變量的值。

putenv：設置環境變量（不常見）。

remove：刪除文件。

rename：重命名文件。

原文章太有趣了，強烈建議觀看#

顯然我們符合其歸納的特徵 4，並且更加偏激。

【“嵌入式阑尾炎” 的潛伏與誘因】

五星上將麥克阿瑟曾評論道：某度看病，癌症起步。你這偽專家，把 Semihosting 說的這麼可怕，“還編譯器默認植入”，我怎麼還活的好好的？我怎麼從來沒碰到過？

恕我直言，你可能符合以下特徵：

大多數情況下使用的是 Arm Compiler 5；

大多數情況下會默認使用 MicroLib；

在 Arm Compiler 6 下不選 MicroLib 的時候遇到 “調試狀態下一切正常，但下載程序直接跑就會死機” 的現象 —— 因此在小本本上默默記下了只能使用 MicroLib 的筆記；

從不使用 malloc 以外的 libc 函數，甚至包括 printf

用的程序模板是大佬做好的；

應用開發基於芯片廠商給的例子工程

使用類似 RT-Thread 這類 “提供一站式服務” 的軟件平台。

別看我列舉了很多，其實只分兩種情況：

瞎貓碰死耗子 —— 運氣好

有人替你負重前行

此文由 Mix Space 同步更新至 xLog 原始鏈接為 https://www.yono233.cn/posts/shoot/24_8_13_Semihosting