STM32的 syscalls.c 和 sysmem.c

syscalls.c 是 STM32CubeIDE 自动生成的标准系统调用适配文件，用于裸机环境下支持 newlib 标准库（如 printf, scanf, malloc）的运行。这份文件提供了标准库运行所需的最小系统调用实现。现在我来逐段解析其作用，并补充你可能需要修改或关注的地方。

---

主要用途

该文件让 标准C库函数 在没有操作系统的 STM32 环境中可以正常工作。特别是：

• printf() 调用 _write()（需要重定向到串口）
• scanf() 调用 _read()（需要接收串口输入）
• malloc() 依赖 _sbrk()（位于另一个文件 sysmem.c 中）

---

文件结构解析

引入的头文件

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

用于提供标准类型定义和错误码，支持不同系统调用的原型和实现。

---

环境变量（通常忽略）

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

---

核心系统调用函数（重点）

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 弱函数（weak），你需要在项目中自己实现这个函数，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;
}

你也需实现 __io_getchar()，如：

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

---

其他系统调用（通常不使用，但需要实现以避免链接错误）

这些函数都是 dummy 实现（返回错误码），用于满足编译要求：

函数	用途/说明
_exit()	程序退出，死循环防止退出
_kill()	假设无信号机制，返回错误
_getpid()	返回 PID 1，占位
_close()	文件关闭，占位
_fstat()	标识为字符设备
_isatty()	判断文件是否为终端，返回1
_lseek()	文件定位，占位
_open()	打开文件，占位
_unlink()	删除文件，占位
_fork()	无进程管理，占位
_execve()	不支持执行程序
_wait()	无子进程支持，占位
_times()	占位
_link()	占位
_stat()	占位

---

✅ 如何启用 UART 输出功能？

1. 确保开启 UART（比如 USART2）并启用 HAL_UART_Transmit。
2. 添加以下函数实现（在 main.c 或独立 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;
}

---

如果你想改为 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;
}

不过 __io_putchar 更适合与 CubeIDE 生成的 syscalls.c 搭配使用。

---

总结

方面	内容
是否需要改动？	如果你要使用 printf/scanf，是的！
推荐修改点	实现 __io_putchar 和 __io_getchar
使用 HAL_UART 示例？	是，可用于 STM32 串口输出

---

你提供的 sysmem.c 是 STM32CubeIDE 自动生成的内存分配支持文件，主要目的是实现标准 C 库 malloc 系列函数所依赖的 _sbrk() 系统调用。

这是嵌入式裸机编程中用于支持动态内存分配的 标准方法。

---

核心作用：实现 _sbrk()

✅ _sbrk(ptrdiff_t incr) 说明

该函数负责从 RAM 中划出堆空间。

void *_sbrk(ptrdiff_t incr)

• incr: 要增加的堆大小（单位：字节）
• 返回值: 成功时返回旧的堆尾地址，失败返回 (void *) -1 并设置 errno = ENOMEM

---

工作原理

它通过链接脚本中的符号 _end, _estack, _Min_Stack_Size 来判断内存边界：

 RAM 起始地址 → [.data][.bss][heap → → →] ... [stack] ← ← ← ← ← _estack（RAM末端）
                                   ↑       ↑
                                 _end   _estack

• __sbrk_heap_end：当前堆的“末尾指针”
• _end：链接脚本中定义的 静态数据段结束地址（堆的起始）
• _estack：RAM 顶部（栈的起点）
• _Min_Stack_Size：为主堆栈指针（MSP）保留的空间，避免栈和堆冲突

⚠️ 如果你用的是默认 STM32CubeIDE 生成的 .ld 链接脚本，这些符号是自动生成的，你无需手动添加。

---

链接脚本中通常有以下内容（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() 报错或崩溃…

1. 确保链接器脚本中定义了 _end, _estack, _Min_Stack_Size

2. 确保在 sysmem.c 中 _sbrk() 没有超出 max_heap

3. 调整堆栈大小：STM32CubeIDE 中修改：

   Project -> Properties -> C/C++ Build -> Settings -> Tool Settings -> MCU Settings
   

   • 增大 Heap size
   • 调整 Stack size

---

✅ 示例：在 STM32 中使用 malloc()

#include 

char *buf = malloc(100);
if (!buf) {
  // 分配失败，内存不足
}

该调用会通过 malloc() → sbrk() 来从 RAM 中申请空间

---

总结

项目	内容
文件作用	支持 malloc 的底层实现
关键函数	_sbrk()
内存边界判断依据	_end, _estack, _Min_Stack_Size
错误处理	堆超出栈保留区时返回 ENOMEM

---

Makefile 中用于链接（linking）的部分配置，主要用来指导 GCC 如何链接目标文件、库文件和链接脚本。

我们来逐项解释这几行内容。

---

内容逐行解析

# libraries
LIBS = -lc -lm -lnosys 

• -lc：链接标准 C 库（libc）
• -lm：链接数学库（libm），例如支持 sin, cos, sqrt
• -lnosys：链接 libnosys.a，这是一个提供最小系统调用桩函数的库（避免链接错误）

LIBDIR = 

• 没设置额外的库搜索目录

LDFLAGS = $(MCU) -specs=nano.specs -T$(LDSCRIPT) $(LIBDIR) $(LIBS) \
  -Wl,-Map=$(BUILD_DIR)/$(TARGET).map,--cref \
  -Wl,--gc-sections

这是构造链接参数的完整语句，分解如下：

参数	说明
$(MCU)	MCU 相关的 GCC 参数（如 -mcpu=cortex-m4 -mthumb）
-specs=nano.specs	使用轻量级 nano newlib（newlib-nano），适合嵌入式系统
-T$(LDSCRIPT)	指定链接脚本路径，例如 stm32f4xx.ld
$(LIBDIR)	库目录参数（未定义时留空）
$(LIBS)	链接所需的库，如 -lc, -lm, -lnosys
-Wl,-Map=...	让 ld 生成 .map 文件，帮助查看内存布局和符号
--cref	在 .map 文件中启用交叉引用
--gc-sections	丢弃未使用的段，减小最终二进制体积

---

举例：使用这些参数生成固件

假设你运行 arm-none-eabi-gcc 手动链接：

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

---

✅ 关于 -lnosys 的补充

• libnosys.a 是 newlib 提供的最小系统调用实现库。
• 它中断了 exit(), _kill(), _getpid() 等函数的调用链。
• 通常你会通过 syscalls.c 或自己实现 _write(), _sbrk() 来覆盖它。

---

✅ 关于 -specs=nano.specs

• 它会让 gcc 使用 libc_nano.a 和 libg_nano.a
• 这是为嵌入式优化的版本，更小但功能有限，适用于 STM32、ARM Cortex-M 等资源受限环境。

---

提示

如果你想使用 printf() 的浮点功能（在 nano.specs 下默认关闭），你需要额外加：

-Wl,-u,_printf_float

或在 LDFLAGS 中加：

LDFLAGS += -Wl,-u,_printf_float

---

✅ 总结

项	用途
-lnosys	提供默认的空系统调用，避免链接错误（可被用户定义的 _write 等函数替代）
-specs=nano.specs	使用轻量 newlib 版本，适合嵌入式
-T$(LDSCRIPT)	指定 .ld 链接脚本路径
-Wl,--gc-sections	去掉未用段，减小大小
-Map=...	生成 map 文件，调试内存和符号使用情况

---

USE_NEWLIB_REENTRANT（或在 FreeRTOSConfig.h 中叫 configUSE_NEWLIB_REENTRANT）是一个和 FreeRTOS + newlib 标准 C 库 集成相关的重要配置项，确实需要谨慎使用。

---

什么是 USE_NEWLIB_REENTRANT？

简单说：

它表示是否为每个 FreeRTOS 任务分配一个 独立的 newlib 重入结构体 struct _reent，以支持 线程安全的标准 C 函数（如 printf, malloc 等）。

---

背景：newlib 是单线程库

标准的 newlib（ARM GCC 默认使用的 C 标准库）不是线程安全的。比如：

• 全局变量 errno
• 全局堆指针
• malloc() / free()

如果多任务同时调用这些函数，可能发生内存损坏或数据错乱。

---

✅ 设置 configUSE_NEWLIB_REENTRANT = 1 的作用

启用后：

• FreeRTOS 会为每个任务分配一个独立的 struct _reent
• 标准库中的函数会使用当前任务的 reent 结构
• 保证 malloc()、errno、printf() 等的线程安全性

---

⚠️ 警告与注意事项

❗ 1. 你必须使用 newlib-nano 或 newlib

启用 configUSE_NEWLIB_REENTRANT = 1 的前提是你项目确实在使用 newlib，否则会报错：

cannot open source file "reent.h"

如果你没有用 -specs=nano.specs 或 -lc 之类的 newlib 库，启用这个配置毫无意义还会出错。

---

❗ 2. 你必须提供必要的系统调用（_sbrk, _write, 等）

CubeMX 会生成 syscalls.c/sysmem.c，你必须保留它们。

否则 malloc()、printf() 就无法工作。

---

❗ 3. 你可能还需要实现 __malloc_lock() 和 __malloc_unlock()

如果你使用的是 full newlib（不是 nano 版），malloc 默认是非线程安全的，除非你实现：

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

void __malloc_unlock(struct _reent *r) {
  taskEXIT_CRITICAL();
}

---

启用方式

在 FreeRTOSConfig.h 中加上：

#define configUSE_NEWLIB_REENTRANT 1

然后确保：

• 编译器链接了 newlib/newlib-nano（一般 -lc -lrdimon -lnosys）
• 有 syscalls.c、sysmem.c
• 编译器路径中包含了 reent.h（通常自动包含）

---

❌ 不建议随意启用的原因

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.”

启用后：

• 系统内存占用增加（每个任务增加 struct _reent）
• 锁管理交给你自己实现
• 如果你不理解 malloc、errno 的底层行为，很容易出错

---

✅ 总结

配置项	作用
configUSE_NEWLIB_REENTRANT = 1	每个任务都有独立 reent 结构，支持线程安全 newlib

启用前需满足	说明
使用 newlib 库	链接 -lc（默认是）或 -specs=nano.specs
包含 reent.h 头文件	通常自动包含于 newlib
提供系统调用（如 _sbrk()）	用于 malloc 等
了解线程安全需求	特别是 __malloc_lock() 等

---

当你在 STM32CubeMX 中启用了 FreeRTOS，它可能会在“Project Report”或生成代码时提示你：

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

---

这是一个 重要但非致命 的提示，意思是你需要为启用 configUSE_NEWLIB_REENTRANT = 1 做额外准备工作。下面是详细解释和应对方法：

---

提示含义详解

当你在 CubeMX 中启用：

Use Newlib reentrant

它就会在生成的 FreeRTOSConfig.h 中添加：

#define configUSE_NEWLIB_REENTRANT 1

并提示你：你必须确保系统环境满足 Newlib 多线程安全运行的条件，否则可能引发运行时错误。

---

✅ 要做的准备（否则会踩坑）

条件	说明
✅ 使用 newlib 标准版 而非 nano	nano 是精简版，不完整支持线程安全结构
✅ 正确实现了 syscalls，如 _sbrk(), _write() 等	否则 malloc()、printf() 等会失效
✅ 每个任务堆栈空间足够（通常 ≥ 256 字节）	否则 newlib 的 _reent 结构体无法分配
✅ heap_3.c 要求线程锁保护 malloc()	推荐改用 heap_useNewlib.c 或 heap_4.c

---

关键实现步骤

① 项目设置中使用 full newlib

在 STM32CubeIDE 中：

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

---

② 实现系统调用 syscalls.c（如果还没有）

你需要提供如下函数，至少要包括：

void *_sbrk(ptrdiff_t incr);     // 用于 malloc 内存扩展
int _write(int file, char *ptr, int len);  // 用于 printf 输出

✅ 示例 _sbrk() 实现：

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 使用线程安全的 malloc() 方案（可选）

如果你使用 heap_3.c（基于标准 malloc），你需要启用锁支持，否则多个任务调用会冲突。

✅ 更好的方式：

• 使用 heap_useNewlib.c（基于 Dave Nadler 的线程安全 malloc）
• 或使用 heap_4.c + pvPortMalloc() 替代系统 malloc

---

✅ 示例配置（FreeRTOSConfig.h）

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

---

✅ 示例任务（带 printf）

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

---

✅ 如何验证配置正确

测试	正常现象
printf() 在多个任务中输出	没有乱码、不会崩溃
malloc() 在任务中使用	分配正常、无崩溃
errno 在任务间隔离	每个任务 errno 不冲突

---

总结

这条提示的真正含义是：

启用了线程安全支持后，你必须确保 newlib 运行环境完整、堆/栈足够、syscalls 正确、malloc 线程安全，否则系统将不可预期。

---

当启用configUSE_NEWLIB_REENTRANT后，每个任务的栈空间需求会显著增加，因为需要为每个任务分配独立的C库上下文。

栈空间需求

基本推荐值

// 最小栈大小建议
#define configMINIMAL_STACK_SIZE    ((unsigned short)512)  // 2KB (512 * 4字节)

// 实际任务栈大小建议
xTaskCreate(TaskFunction, 
            "TaskName", 
            1024,        // 4KB栈空间
            NULL, 
            Priority, 
            &TaskHandle);

不同使用场景的栈大小

1. 简单任务（只有基本操作）

#define SIMPLE_TASK_STACK_SIZE    512   // 2KB

2. 使用printf/sprintf的任务

#define PRINTF_TASK_STACK_SIZE    1024  // 4KB

3. 使用malloc/free的任务

#define MALLOC_TASK_STACK_SIZE    1024  // 4KB

4. 使用文件系统操作的任务

#define FILE_TASK_STACK_SIZE      2048  // 8KB

栈空间增加的原因

启用configUSE_NEWLIB_REENTRANT后增加的开销包括：

1. struct _reent结构体：约400-600字节
2. I/O缓冲区：printf等函数的缓冲区
3. malloc堆管理：每个任务的堆状态信息
4. 错误处理：errno等错误状态

实际测试建议

// 栈使用情况检查
void vTaskStackCheck(void)
{
    UBaseType_t uxHighWaterMark;
    
    // 获取任务剩余栈空间
    uxHighWaterMark = uxTaskGetStackHighWaterMark(NULL);
    
    printf("Stack remaining: %d words\n", uxHighWaterMark);
}

优化建议

1. 根据实际需求调整

// 不同任务使用不同栈大小
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. 使用栈监控

// 在FreeRTOSConfig.h中启用
#define configCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW  2

3. 考虑关闭可重入支持

如果RAM紧张，可以考虑：

#define configUSE_NEWLIB_REENTRANT 0

然后使用互斥锁保护共享资源。

总结

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

建议从4KB开始，然后根据实际的栈使用情况进行调整。记住要定期检查栈的高水位标记，确保没有栈溢出的风险。