STM32的 syscalls.c 和 sysmem.c

syscalls.c 是 STM32CubeIDE 自動生成的標準系統調用適配文件，用于裸機環境下支持 newlib 標準庫（如 printf, scanf, malloc）的運行。這份文件提供了標準庫運行所需的最小系統調用實現。現在我來逐段解析其作用，并補充你可能需要修改或關注的地方。

🧩 主要用途

該文件讓 標準C庫函數 在沒有操作系統的 STM32 環境中可以正常工作。特別是：

  • printf() 調用 _write()（需要重定向到串口）
  • scanf() 調用 _read()（需要接收串口輸入）
  • malloc() 依賴 _sbrk()（位于另一個文件 sysmem.c 中）

📄 文件結構解析

🔹 引入的頭文件

#include <sys/stat.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <time.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/times.h>

用于提供標準類型定義和錯誤碼，支持不同系統調用的原型和實現。

🔹 環境變量（通常忽略）

char *__env[1] = { 0 };
char **environ = __env;

🔹 核心系統調用函數（重點）

1. _write(): 用于 printf
__attribute__((weak)) int _write(int file, char *ptr, int len)
{(void)file;for (int i = 0; i < len; i++)__io_putchar(*ptr++);return len;
}

?? __io_putchar() 是 弱函數（weak），你需要在項目中自己實現這個函數，常用于串口重定向：

int __io_putchar(int ch)
{HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t *)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);return ch;
}
2. _read(): 用于 scanf
__attribute__((weak)) int _read(int file, char *ptr, int len)
{for (int i = 0; i < len; i++)*ptr++ = __io_getchar();return len;
}

你也需實現 __io_getchar()，如：

int __io_getchar(void)
{uint8_t ch;HAL_UART_Receive(&huart2, &ch, 1, HAL_MAX_DELAY);return ch;
}

🔹 其他系統調用（通常不使用，但需要實現以避免鏈接錯誤）

這些函數都是 dummy 實現（返回錯誤碼），用于滿足編譯要求：

函數用途/說明
_exit()程序退出，死循環防止退出
_kill()假設無信號機制，返回錯誤
_getpid()返回 PID 1，占位
_close()文件關閉，占位
_fstat()標識為字符設備
_isatty()判斷文件是否為終端，返回1
_lseek()文件定位，占位
_open()打開文件，占位
_unlink()刪除文件，占位
_fork()無進程管理，占位
_execve()不支持執行程序
_wait()無子進程支持，占位
_times()占位
_link()占位
_stat()占位

? 如何啟用 UART 輸出功能？

  1. 確保開啟 UART（比如 USART2）并啟用 HAL_UART_Transmit。
  2. 添加以下函數實現（在 main.c 或獨立 retarget.c 文件）：
int __io_putchar(int ch)
{HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t *)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);return ch;
}int __io_getchar(void)
{uint8_t ch;HAL_UART_Receive(&huart2, &ch, 1, HAL_MAX_DELAY);return ch;
}

📝 如果你想改為 fputc() 重定向，也可以用以下方式：

int fputc(int ch, FILE *f)
{HAL_UART_Transmit(&huart2, (uint8_t *)&ch, 1, HAL_MAX_DELAY);return ch;
}

不過 __io_putchar 更適合與 CubeIDE 生成的 syscalls.c 搭配使用。

🔚 總結

方面內容
是否需要改動？如果你要使用 printf/scanf，是的！
推薦修改點實現 __io_putchar 和 __io_getchar
使用 HAL_UART 示例？是，可用于 STM32 串口輸出

你提供的 sysmem.c 是 STM32CubeIDE 自動生成的內存分配支持文件，主要目的是實現標準 C 庫 malloc 系列函數所依賴的 _sbrk() 系統調用。

這是嵌入式裸機編程中用于支持動態內存分配的 標準方法。

🔍 核心作用：實現 _sbrk()

? _sbrk(ptrdiff_t incr) 說明

該函數負責從 RAM 中劃出堆空間。

void *_sbrk(ptrdiff_t incr)
  • incr: 要增加的堆大小（單位：字節）
  • 返回值: 成功時返回舊的堆尾地址，失敗返回 (void *) -1 并設置 errno = ENOMEM

🧠 工作原理

它通過鏈接腳本中的符號 _end, _estack, _Min_Stack_Size 來判斷內存邊界：

 RAM 起始地址 → [.data][.bss][heap → → →] ... [stack] ← ← ← ← ← _estack（RAM末端）↑       ↑_end   _estack
  • __sbrk_heap_end：當前堆的“末尾指針”
  • _end：鏈接腳本中定義的 靜態數據段結束地址（堆的起始）
  • _estack：RAM 頂部（棧的起點）
  • _Min_Stack_Size：為主堆棧指針（MSP）保留的空間，避免棧和堆沖突

?? 如果你用的是默認 STM32CubeIDE 生成的 .ld 鏈接腳本，這些符號是自動生成的，你無需手動添加。

🧩 鏈接腳本中通常有以下內容（例如）：

  ._user_heap_stack :{. = ALIGN(8);PROVIDE ( end = . );PROVIDE ( _end = . );. = . + _Min_Heap_Size;. = . + _Min_Stack_Size;. = ALIGN(8);} >RAM

?? 如果你使用 malloc() 報錯或崩潰…

  1. 確保鏈接器腳本中定義了 _end, _estack, _Min_Stack_Size

  2. 確保在 sysmem.c 中 _sbrk() 沒有超出 max_heap

  3. 調整堆棧大小：STM32CubeIDE 中修改：

    Project -> Properties -> C/C++ Build -> Settings -> Tool Settings -> MCU Settings
    • 增大 Heap size
    • 調整 Stack size

? 示例：在 STM32 中使用 malloc()

#include <stdlib.h>char *buf = malloc(100);
if (!buf) {// 分配失敗，內存不足
}

該調用會通過 malloc() → sbrk() 來從 RAM 中申請空間

📝 總結

項目內容
文件作用支持 malloc 的底層實現
關鍵函數_sbrk()
內存邊界判斷依據_end, _estack, _Min_Stack_Size
錯誤處理堆超出棧保留區時返回 ENOMEM

Makefile 中用于鏈接（linking）的部分配置，主要用來指導 GCC 如何鏈接目標文件、庫文件和鏈接腳本。

我們來逐項解釋這幾行內容。

🔍 內容逐行解析

# libraries
LIBS = -lc -lm -lnosys
  • -lc：鏈接標準 C 庫（libc）
  • -lm：鏈接數學庫（libm），例如支持 sin, cos, sqrt
  • -lnosys：鏈接 libnosys.a，這是一個提供最小系統調用樁函數的庫（避免鏈接錯誤）
LIBDIR =
  • 沒設置額外的庫搜索目錄
LDFLAGS = $(MCU) -specs=nano.specs -T$(LDSCRIPT) $(LIBDIR) $(LIBS) \-Wl,-Map=$(BUILD_DIR)/$(TARGET).map,--cref \-Wl,--gc-sections

這是構造鏈接參數的完整語句，分解如下：

參數說明
$(MCU)MCU 相關的 GCC 參數（如 -mcpu=cortex-m4 -mthumb）
-specs=nano.specs使用輕量級 nano newlib（newlib-nano），適合嵌入式系統
-T$(LDSCRIPT)指定鏈接腳本路徑，例如 stm32f4xx.ld
$(LIBDIR)庫目錄參數（未定義時留空）
$(LIBS)鏈接所需的庫，如 -lc, -lm, -lnosys
-Wl,-Map=...讓 ld 生成 .map 文件，幫助查看內存布局和符號
--cref在 .map 文件中啟用交叉引用
--gc-sections丟棄未使用的段，減小最終二進制體積

🔧 舉例：使用這些參數生成固件

假設你運行 arm-none-eabi-gcc 手動鏈接：

arm-none-eabi-gcc main.o startup_stm32f4xx.o \-mcpu=cortex-m4 -mthumb \-specs=nano.specs \-Tstm32f4xx.ld \-lc -lm -lnosys \-Wl,-Map=output.map,--cref \-Wl,--gc-sections \-o firmware.elf

? 關于 -lnosys 的補充

  • libnosys.a 是 newlib 提供的最小系統調用實現庫。
  • 它中斷了 exit(), _kill(), _getpid() 等函數的調用鏈。
  • 通常你會通過 syscalls.c 或自己實現 _write(), _sbrk() 來覆蓋它。

? 關于 -specs=nano.specs

  • 它會讓 gcc 使用 libc_nano.a 和 libg_nano.a
  • 這是為嵌入式優化的版本，更小但功能有限，適用于 STM32、ARM Cortex-M 等資源受限環境。

🧠 提示

如果你想使用 printf() 的浮點功能（在 nano.specs 下默認關閉），你需要額外加：

-Wl,-u,_printf_float

或在 LDFLAGS 中加：

LDFLAGS += -Wl,-u,_printf_float

? 總結

項用途
-lnosys提供默認的空系統調用，避免鏈接錯誤（可被用戶定義的 _write 等函數替代）
-specs=nano.specs使用輕量 newlib 版本，適合嵌入式
-T$(LDSCRIPT)指定 .ld 鏈接腳本路徑
-Wl,--gc-sections去掉未用段，減小大小
-Map=...生成 map 文件，調試內存和符號使用情況

USE_NEWLIB_REENTRANT（或在 FreeRTOSConfig.h 中叫 configUSE_NEWLIB_REENTRANT）是一個和 FreeRTOS + newlib 標準 C 庫 集成相關的重要配置項，確實需要謹慎使用。

🧠 什么是 USE_NEWLIB_REENTRANT？

簡單說：

它表示是否為每個 FreeRTOS 任務分配一個 獨立的 newlib 重入結構體 struct _reent，以支持 線程安全的標準 C 函數（如 printf, malloc 等）。

🔧 背景：newlib 是單線程庫

標準的 newlib（ARM GCC 默認使用的 C 標準庫）不是線程安全的。比如：

  • 全局變量 errno
  • 全局堆指針
  • malloc() / free()

如果多任務同時調用這些函數，可能發生內存損壞或數據錯亂。

? 設置 configUSE_NEWLIB_REENTRANT = 1 的作用

啟用后：

  • FreeRTOS 會為每個任務分配一個獨立的 struct _reent
  • 標準庫中的函數會使用當前任務的 reent 結構
  • 保證 malloc()、errno、printf() 等的線程安全性

?? 警告與注意事項

? 1. 你必須使用 newlib-nano 或 newlib

啟用 configUSE_NEWLIB_REENTRANT = 1 的前提是你項目確實在使用 newlib，否則會報錯：

cannot open source file "reent.h"

如果你沒有用 -specs=nano.specs 或 -lc 之類的 newlib 庫，啟用這個配置毫無意義還會出錯。

? 2. 你必須提供必要的系統調用（_sbrk, _write, 等）

CubeMX 會生成 syscalls.c/sysmem.c，你必須保留它們。

否則 malloc()、printf() 就無法工作。

? 3. 你可能還需要實現 __malloc_lock() 和 __malloc_unlock()

如果你使用的是 full newlib（不是 nano 版），malloc 默認是非線程安全的，除非你實現：

void __malloc_lock(struct _reent *r) {taskENTER_CRITICAL(); // 或者使用 mutex
}void __malloc_unlock(struct _reent *r) {taskEXIT_CRITICAL();
}

🔍 啟用方式

在 FreeRTOSConfig.h 中加上：

#define configUSE_NEWLIB_REENTRANT 1

然后確保：

  • 編譯器鏈接了 newlib/newlib-nano（一般 -lc -lrdimon -lnosys）
  • 有 syscalls.c、sysmem.c
  • 編譯器路徑中包含了 reent.h（通常自動包含）

? 不建議隨意啟用的原因

官方警告你很清楚：

?? “FreeRTOS does not use newlib itself. If you enable reentrancy, you are responsible for making it work safely.”

啟用后：

  • 系統內存占用增加（每個任務增加 struct _reent）
  • 鎖管理交給你自己實現
  • 如果你不理解 malloc、errno 的底層行為，很容易出錯

? 總結

配置項作用
configUSE_NEWLIB_REENTRANT = 1每個任務都有獨立 reent 結構，支持線程安全 newlib
啟用前需滿足說明
使用 newlib 庫鏈接 -lc（默認是）或 -specs=nano.specs
包含 reent.h 頭文件通常自動包含于 newlib
提供系統調用（如 _sbrk()）用于 malloc 等
了解線程安全需求特別是 __malloc_lock() 等

當你在 STM32CubeMX 中啟用了 FreeRTOS，它可能會在“Project Report”或生成代碼時提示你：

提示：configUSE_NEWLIB_REENTRANT is enabled. You must ensure newlib is thread-safe and syscalls are implemented properly.

這是一個 重要但非致命 的提示，意思是你需要為啟用 configUSE_NEWLIB_REENTRANT = 1 做額外準備工作。下面是詳細解釋和應對方法：

🔍 提示含義詳解

當你在 CubeMX 中啟用：

Use Newlib reentrant

它就會在生成的 FreeRTOSConfig.h 中添加：

#define configUSE_NEWLIB_REENTRANT 1

并提示你：你必須確保系統環境滿足 Newlib 多線程安全運行的條件，否則可能引發運行時錯誤。

? 要做的準備（否則會踩坑）

條件說明
? 使用 newlib 標準版 而非 nanonano 是精簡版，不完整支持線程安全結構
? 正確實現了 syscalls，如 _sbrk(), _write() 等否則 malloc()、printf() 等會失效
? 每個任務堆棧空間足夠（通常 ≥ 256 字節）否則 newlib 的 _reent 結構體無法分配
? heap_3.c 要求線程鎖保護 malloc()推薦改用 heap_useNewlib.c 或 heap_4.c

🛠 關鍵實現步驟

① 項目設置中使用 full newlib

在 STM32CubeIDE 中：

  • Project > Properties > C/C++ Build > Settings
  • 進入 Tool Settings > MCU GCC Linker > Libraries
  • ? 取消勾選 Use newlib-nano (--specs=nano.specs)
  • ?? 保留或添加 --specs=nosys.specs

② 實現系統調用 syscalls.c（如果還沒有）

你需要提供如下函數，至少要包括：

void *_sbrk(ptrdiff_t incr);     // 用于 malloc 內存擴展
int _write(int file, char *ptr, int len);  // 用于 printf 輸出

? 示例 _sbrk() 實現：

extern char _end; // Defined in linker script
static char *heap_end;void *_sbrk(ptrdiff_t incr) {char *prev_heap_end;if (heap_end == 0)heap_end = &_end;prev_heap_end = heap_end;heap_end += incr;return (void *) prev_heap_end;
}

③ 使用線程安全的 malloc() 方案（可選）

如果你使用 heap_3.c（基于標準 malloc），你需要啟用鎖支持，否則多個任務調用會沖突。

? 更好的方式：

  • 使用 heap_useNewlib.c（基于 Dave Nadler 的線程安全 malloc）
  • 或使用 heap_4.c + pvPortMalloc() 替代系統 malloc

? 示例配置（FreeRTOSConfig.h）

#define configUSE_NEWLIB_REENTRANT 1
#define configTOTAL_HEAP_SIZE     (10 * 1024)

? 示例任務（帶 printf）

void TaskPrint(void *pvParameters) {while (1) {printf("Hello from task %s\n", pcTaskGetName(NULL));vTaskDelay(pdMS_TO_TICKS(1000));}
}

? 如何驗證配置正確

測試正常現象
printf() 在多個任務中輸出沒有亂碼、不會崩潰
malloc() 在任務中使用分配正常、無崩潰
errno 在任務間隔離每個任務 errno 不沖突

📌 總結

這條提示的真正含義是：

啟用了線程安全支持后，你必須確保 newlib 運行環境完整、堆/棧足夠、syscalls 正確、malloc 線程安全，否則系統將不可預期。

當啟用configUSE_NEWLIB_REENTRANT后，每個任務的棧空間需求會顯著增加，因為需要為每個任務分配獨立的C庫上下文。

棧空間需求

基本推薦值

// 最小棧大小建議
#define configMINIMAL_STACK_SIZE    ((unsigned short)512)  // 2KB (512 * 4字節)// 實際任務棧大小建議
xTaskCreate(TaskFunction, "TaskName", 1024,        // 4KB棧空間NULL, Priority, &TaskHandle);

不同使用場景的棧大小

1. 簡單任務（只有基本操作）

#define SIMPLE_TASK_STACK_SIZE    512   // 2KB

2. 使用printf/sprintf的任務

#define PRINTF_TASK_STACK_SIZE    1024  // 4KB

3. 使用malloc/free的任務

#define MALLOC_TASK_STACK_SIZE    1024  // 4KB

4. 使用文件系統操作的任務

#define FILE_TASK_STACK_SIZE      2048  // 8KB

棧空間增加的原因

啟用configUSE_NEWLIB_REENTRANT后增加的開銷包括：

  1. struct _reent結構體：約400-600字節
  2. I/O緩沖區：printf等函數的緩沖區
  3. malloc堆管理：每個任務的堆狀態信息
  4. 錯誤處理：errno等錯誤狀態

實際測試建議

// 棧使用情況檢查
void vTaskStackCheck(void)
{UBaseType_t uxHighWaterMark;// 獲取任務剩余棧空間uxHighWaterMark = uxTaskGetStackHighWaterMark(NULL);printf("Stack remaining: %d words\n", uxHighWaterMark);
}

優化建議

1. 根據實際需求調整

// 不同任務使用不同棧大小
xTaskCreate(SimpleTask, "Simple", 512, NULL, 1, NULL);    // 2KB
xTaskCreate(PrintfTask, "Printf", 1024, NULL, 1, NULL);   // 4KB
xTaskCreate(FileTask, "File", 2048, NULL, 1, NULL);       // 8KB

2. 使用棧監控

// 在FreeRTOSConfig.h中啟用
#define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW  2

3. 考慮關閉可重入支持

如果RAM緊張，可以考慮：

#define configUSE_NEWLIB_REENTRANT 0

然后使用互斥鎖保護共享資源。

總結

  • 最小推薦：512 words (2KB)
  • 安全推薦：1024 words (4KB)
  • 重度使用：2048 words (8KB)

建議從4KB開始，然后根據實際的棧使用情況進行調整。記住要定期檢查棧的高水位標記，確保沒有棧溢出的風險。

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java: 無法訪問org.springframework.boot.SpringApplication，類文件具有錯誤的版本 61.0, 應為 52.0

java: 無法訪問org.springframework.boot.SpringApplication，類文件具有錯誤的版本 61.0, 應為 52.0

問題 java: 無法訪問org.springframework.boot.SpringApplication 錯誤的類文件: /D:/.m2/repository/org/springframework/boot/spring-boot/3.3.13/spring-boot-3.3.13.jar!/org/springframework/boot/SpringApplication.class 類文件具有錯誤的版本 61.0, 應為 52.0 請刪除…
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