瞭解printf函數的調用機制，我將以PowerPC爲例子介紹它到OS的調用過程，首先我們先來看看printf的函數的具體的實現，如下：
從上面的彙編指令我們可以看出，其實就是加載字節的指令，將EA的字節存放到rD中去。針對上面的彙編部分我們做一些簡單的解釋，
static char sprint_buf[1024]; //定義一個buf存儲空間來存放參數；int printf(const char *fmt, ...){
va_list args;int n;va_start(args, fmt);n = vsprintf(sprint_buf, fmt, args); //主要用於輸出格式的匹配工作；va_end(args);if (console_ops.write)console_ops.write(sprint_buf, n); //終端的操作，註冊和初始化串口；return n;
}
從上面的函數來看，printf函數主要做的就是兩件事情，首先確定內容如何輸出，以何種格式輸出，然後初始化串口，通過串口將數據輸出到硬件層。
下面我們將來介紹它的調用過程，以幫助我們對printf函數的理解。
int vsprintf(char *buf, const char *fmt, va_list args){
int len;unsigned long long num;int i, base;char * str;const char *s;int flags; /* flags to number() */int field_width; /* width of output field */int precision; /* min. # of digits for integers; max number of chars for from string */int qualifier; /* 'h', 'l', or 'L' for integer fields *//* 'z' support added 23/7/1999 S.H. *//* 'z' changed to 'Z' --davidm 1/25/99 */for (str=buf ; *fmt ; ++fmt) {if (*fmt != '%') {*str++ = *fmt;continue;}/* process flags */flags = 0;repeat:++fmt; /* this also skips first '%' */switch (*fmt) {case '-': flags |= LEFT; goto repeat;case '+': flags |= PLUS; goto repeat;case ' ': flags |= SPACE; goto repeat;case '#': flags |= SPECIAL; goto repeat;case '0': flags |= ZEROPAD; goto repeat;}/* get field width */field_width = -1;if ('0' <= *fmt && *fmt <= '9')field_width = skip_atoi(&fmt);else if (*fmt == '*') {++fmt;/* it's the next argument */field_width = va_arg(args, int);if (field_width < 0) {field_width = -field_width;flags |= LEFT;}}/* get the precision */precision = -1;if (*fmt == '.') {++fmt;if ('0' <= *fmt && *fmt <= '9')precision = skip_atoi(&fmt);else if (*fmt == '*') {++fmt;/* it's the next argument */precision = va_arg(args, int);}if (precision < 0)precision = 0;}/* get the conversion qualifier */qualifier = -1;if (*fmt == 'l' && *(fmt + 1) == 'l') {qualifier = 'q';fmt += 2;} else if (*fmt == 'h' || *fmt == 'l' || *fmt == 'L'|| *fmt == 'Z') {qualifier = *fmt;++fmt;}/* default base */base = 10;switch (*fmt) {case 'c':if (!(flags & LEFT))while (--field_width > 0)*str++ = ' ';*str++ = (unsigned char) va_arg(args, int);while (--field_width > 0)*str++ = ' ';continue;case 's':s = va_arg(args, char *);if (!s)s = "<NULL>";len = strnlen(s, precision);if (!(flags & LEFT))while (len < field_width--)*str++ = ' ';for (i = 0; i < len; ++i)*str++ = *s++;while (len < field_width--)*str++ = ' ';continue;case 'p':if (field_width == -1) {field_width = 2*sizeof(void *);flags |= ZEROPAD;}str = number(str,(unsigned long) va_arg(args, void *), 16,field_width, precision, flags);continue;case 'n':if (qualifier == 'l') {long * ip = va_arg(args, long *);*ip = (str - buf);} else if (qualifier == 'Z') {size_t * ip = va_arg(args, size_t *);*ip = (str - buf);} else {int * ip = va_arg(args, int *);*ip = (str - buf);}continue;case '%':*str++ = '%';continue;/* integer number formats - set up the flags and "break" */case 'o':base = 8;break;case 'X':flags |= LARGE;case 'x':base = 16;break;case 'd':case 'i':flags |= SIGN;case 'u':break;default:*str++ = '%';if (*fmt)*str++ = *fmt;else--fmt;continue;}if (qualifier == 'l') {num = va_arg(args, unsigned long);if (flags & SIGN)num = (signed long) num;} else if (qualifier == 'q') {num = va_arg(args, unsigned long long);if (flags & SIGN)num = (signed long long) num;} else if (qualifier == 'Z') {num = va_arg(args, size_t);} else if (qualifier == 'h') {num = (unsigned short) va_arg(args, int);if (flags & SIGN)num = (signed short) num;} else {num = va_arg(args, unsigned int);if (flags & SIGN)num = (signed int) num;}str = number(str, num, base, field_width, precision, flags);}*str = '\0';return str-buf;
}從這個函數我們可以看出printf的格式符的重要性，以及它所支持的所有輸出格式，在這個函數中調用了兩個重要的函數，下面我們來介紹這倆個重要的函數函數的功能;
static char * number(char * str, unsigned long long num, int base, int size, int precision, int type){
char c,sign,tmp[66];const char *digits="0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyz";int i;if (type & LARGE)digits = "0123456789ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ";if (type & LEFT)type &= ~ZEROPAD;if (base < 2 || base > 36)return 0;c = (type & ZEROPAD) ? '0' : ' ';sign = 0;if (type & SIGN) {if ((signed long long)num < 0) {sign = '-';num = - (signed long long)num;size--;} else if (type & PLUS) {sign = '+';size--;} else if (type & SPACE) {sign = ' ';size--;}}if (type & SPECIAL) {if (base == 16)size -= 2;else if (base == 8)size--;}i = 0;if (num == 0)tmp[i++]='0';else while (num != 0) {tmp[i++] = digits[do_div(num, base)];}if (i > precision)precision = i;size -= precision;if (!(type&(ZEROPAD+LEFT)))while(size-->0)*str++ = ' ';if (sign)*str++ = sign;if (type & SPECIAL) {if (base==8)*str++ = '0';else if (base==16) {*str++ = '0';*str++ = digits[33];}}if (!(type & LEFT))while (size-- > 0)*str++ = c;while (i < precision--)*str++ = '0';while (i-- > 0)*str++ = tmp[i];while (size-- > 0)*str++ = ' ';return str;
}
這個函數的功能主要是將數字字符串按2,8，16進制的形式輸出結果的處理，以及對輸出的結果正負的處理和空格的處理。同時也解決了數據的輸出對齊問題，從而讓數據根據我們想要的形式輸出結果，下面我們來介紹下該函數所用到的一些宏的定義，以便於幫助我們來理解該函數的功能。
#define ZEROPAD 1 /* pad with zero */#define SIGN 2 /* unsigned/signed long */#define PLUS 4 /* show plus */#define SPACE 8 /* space if plus */#define LEFT 16 /* left justified */#define SPECIAL 32 /* 0x */#define LARGE 64 /* use 'ABCDEF' instead of 'abcdef' */對於這些宏我就不做過多的解釋了，只要將它們代入具體的宏的位置去就可以了，它們只是基本的宏替換的功能而已，沒有其它過多的用法了，看到這個宏定義，讓我想到了枚舉，其實我可以用枚舉的方法來定義這些宏定義，只是在初始化的時候有點區別，枚舉的第一個成員默認被分配爲0，之後每個成員要是沒有賦值它將會在前一個成員的基礎上加一，當讓枚舉和宏定義還是有區別的，宏定義是在編譯器編譯時對宏進行宏展開的工作，所以它不分配內存空間，而枚舉就有些不一樣了，他是結構類型，所以在爲它初始化後它會佔用內存空間，所以它會分配內存；還是繼續來說說另外一個重要的函數的功能吧！
static int skip_atoi(const char **s){int i, c;for (i = 0; '0' <= (c = **s) && c <= '9'; ++*s)i = i*10 + c - '0';return i;}看到這個函數我相信我們大家都很熟悉了，這個函數和我們之前調用的atoi的功能差不多，本函數主要是主要是將字符型數字轉化爲十進制數字的功能，它是通過一位一位的返回模式轉化的。
下面我們再來看看printf函數的另外的一個函數的功能，首先來看看console_ops 結構體；
struct console_ops console_ops;/* Console operations */struct console_ops {int (*open)(void);void (*write)(const char *buf, int len);void (*edit_cmdline)(char *buf, int len);void (*close)(void);void *data;};
另外一個函數就是這個結構的write成員函數，下面我們來看看它的功能。
int serial_console_init(void){
void *devp;int rc = -1;devp = serial_get_stdout_devp();if (devp == NULL)goto err_out;if (dt_is_compatible(devp, "ns16550") ||dt_is_compatible(devp, "pnpPNP,501"))rc = ns16550_console_init(devp, &serial_cd);else if (dt_is_compatible(devp, "marvell,mv64360-mpsc"))rc = mpsc_console_init(devp, &serial_cd);else if (dt_is_compatible(devp, "fsl,cpm1-scc-uart") ||dt_is_compatible(devp, "fsl,cpm1-smc-uart") ||dt_is_compatible(devp, "fsl,cpm2-scc-uart") ||dt_is_compatible(devp, "fsl,cpm2-smc-uart"))rc = cpm_console_init(devp, &serial_cd);else if (dt_is_compatible(devp, "fsl,mpc5200-psc-uart"))rc = mpc5200_psc_console_init(devp, &serial_cd);else if (dt_is_compatible(devp, "xlnx,opb-uartlite-1.00.b") ||dt_is_compatible(devp, "xlnx,xps-uartlite-1.00.a"))rc = uartlite_console_init(devp, &serial_cd);/* Add other serial console driver calls here */if (!rc) {console_ops.open = serial_open;console_ops.write = serial_write;console_ops.close = serial_close;console_ops.data = &serial_cd;if (serial_cd.getc)console_ops.edit_cmdline = serial_edit_cmdline;return 0;}err_out:return -1;
}當函數執行時，console_ops.write函數就相當於執行serial_write函數，我們來看看它又做了些什麼事情;
static void serial_write(const char *buf, int len){struct serial_console_data *scdp = console_ops.data;while (*buf != '\0')scdp->putc(*buf++);}
由上面的console_ops結構體我們已經知道了它有一個data成員，下面我們來具體看看serial_console_data結構的具體內容；struct serial_console_data {
int (*open)(void);void (*putc)(unsigned char c);unsigned char (*getc)(void);u8 (*tstc)(void);void (*close)(void);
看到這個結構體就是一個操作串口的操作集合，我們只要調用它就可以操作串口了，serial_write函數主要是操作它的putc函數來輸出內容到串口，下面看看putc函數，通過查找得知它又調用其它函數；};這個函數的具體內容就不看了，就去看看cpm_serial_putc函數的具體實現，來看看它實現什麼功能；int cpm_console_init(void *devp, struct serial_console_data *scdp){void *vreg[2];u32 reg[2];int is_smc = 0, is_cpm2 = 0;void *parent, *muram;void *muram_addr;unsigned long muram_offset, muram_size;if (dt_is_compatible(devp, "fsl,cpm1-smc-uart")) {is_smc = 1;} else if (dt_is_compatible(devp, "fsl,cpm2-scc-uart")) {is_cpm2 = 1;} else if (dt_is_compatible(devp, "fsl,cpm2-smc-uart")) {is_cpm2 = 1;is_smc = 1;}if (is_smc) {enable_port = smc_enable_port;disable_port = smc_disable_port;} else {enable_port = scc_enable_port;disable_port = scc_disable_port;}if (is_cpm2)do_cmd = cpm2_cmd;elsedo_cmd = cpm1_cmd;if (getprop(devp, "fsl,cpm-command", &cpm_cmd, 4) < 4)return -1;if (dt_get_virtual_reg(devp, vreg, 2) < 2)return -1;if (is_smc)smc = vreg[0];elsescc = vreg[0];param = vreg[1];parent = get_parent(devp);if (!parent)return -1;if (dt_get_virtual_reg(parent, &cpcr, 1) < 1)return -1;muram = finddevice("/soc/cpm/muram/data");if (!muram)return -1;/* For bootwrapper-compatible device trees, we assume that the first* entry has at least 128 bytes, and that #address-cells/#data-cells* is one for both parent and child.*/if (dt_get_virtual_reg(muram, &muram_addr, 1) < 1)return -1;if (getprop(muram, "reg", reg, 8) < 8)return -1;muram_offset = reg[0];muram_size = reg[1];/* Store the buffer descriptors at the end of the first muram chunk.* For SMC ports on CPM2-based platforms, relocate the parameter RAM* just before the buffer descriptors.*/cbd_offset = muram_offset + muram_size - 2 * sizeof(struct cpm_bd);if (is_cpm2 && is_smc) {u16 *smc_base = (u16 *)param;u16 pram_offset;pram_offset = cbd_offset - 64;pram_offset = _ALIGN_DOWN(pram_offset, 64);disable_port();out_be16(smc_base, pram_offset);param = muram_addr - muram_offset + pram_offset;}cbd_addr = muram_addr - muram_offset + cbd_offset;scdp->open = cpm_serial_open;scdp->putc = cpm_serial_putc;scdp->getc = cpm_serial_getc;scdp->tstc = cpm_serial_tstc;return 0;}static void cpm_serial_putc(unsigned char c){while (tbdf->sc & 0x8000)barrier(); //執行空操作；sync();tbdf->addr[0] = c;eieio(); //上下文同步；tbdf->sc |= 0x8000;}
針對barrier函數和eieio函數的具體實現做一些說明：
static inline void barrier(void){asm volatile("" : : : "memory"); //執行空指令，但是消耗沒存空間；}static inline void eieio(void){__asm__ __volatile__ ("eieio" : : : "memory"); //同上}
eieio 是上下文同步指令。“上下文同步”指的是：處理器內核包含着多個獨立的執行單元，所以它能夠並行的執行多個指令並且是亂序的。上下文同步指令用於需要嚴格秩序的地方，進行強制嚴格的指令順序。eieio代表“強制按順序執行IO”。在執行過程中，加載/存儲單元等待前一個訪問結束之後再開始運行加載/存儲指令。eieio的目的就是爲了防止執行過程中的隨意加載和存儲。
我們再來看看tbdf具體是什麼結構，看看的結構體的具體作用；static struct cpm_bd *tbdf, *rbdf;struct cpm_bd {u16 sc; /* Status and Control */u16 len; /* Data length in buffer */u8 *addr; /* Buffer address in host memory */};
從該結構體的可以看出，putc最後存儲的內容其實是存在了buff空間裏了，但是疑問也同時產生了tbdf結構體是在什麼時候被初始化的，初始化值是什麼，帶着疑問我們繼續來往下看看；
static int cpm_serial_open(void){
disable_port();out_8(¶m->rfcr, 0x10);out_8(¶m->tfcr, 0x10);out_be16(¶m->mrblr, 1);out_be16(¶m->maxidl, 0);out_be16(¶m->brkec, 0);out_be16(¶m->brkln, 0);out_be16(¶m->brkcr, 0);rbdf = cbd_addr;rbdf->addr = (u8 *)rbdf - 1;rbdf->sc = 0xa000;rbdf->len = 1;tbdf = rbdf + 1;tbdf->addr = (u8 *)rbdf - 2;tbdf->sc = 0x2000;tbdf->len = 1;sync();out_be16(¶m->rbase, cbd_offset);out_be16(¶m->tbase, cbd_offset + sizeof(struct cpm_bd));do_cmd(CPM_CMD_INIT_RX_TX);enable_port();return 0;
從這個函數我們可以看出它對tbdf的初始化工作，我們可以根據它的初始化內容結合putc函數來理解數據的輸出功能，do_cmd函數出現過多次，我們來看看這個函數，再看這個函數之前我先來看看幾個宏定義；}
下面來看看do_cmd函數的實現，根據函數的查找我們可以看到do_cmd函數其實是在cpm_console_init函數裏面被初始化的，實際上它是調用cpm2_cmd（do_cmd = cpm2_cmd）函數；#define CPM_CMD_STOP_TX 4#define CPM_CMD_RESTART_TX 6#define CPM_CMD_INIT_RX_TX 0
針對這個函數我們來看看它調用的函數的功能，由於它內嵌彙編，所以我們要看看它的彙編指令的意思，結合它一起來理解該函數的功能，先來看看函數本身吧；static void cpm2_cmd(int op){while (in_be32(cpcr) & 0x10000);out_be32(cpcr, op | cpm_cmd | 0x10000);while (in_be32(cpcr) & 0x10000);}
static inline unsigned in_be32(const volatile unsigned *addr){unsigned ret;__asm__ __volatile__("lwz%U1%X1 %0,%1; twi 0,%0,0; isync": "=r" (ret) : "m" (*addr));return ret;}
static inline unsigned in_be32(const volatile unsigned *addr){unsigned ret;__asm__ __volatile__("lwz%U1%X1 %0,%1; twi 0,%0,0; isync": "=r" (ret) : "m" (*addr));return ret;}
我們可以看到其實這兩個函數本身都是在調用匯編指令，由於我們分析的PowerPC架構的代碼，所以我們只能去找它的指令集看看，看是否有lwz指令，看它是什麼意思了；
lwz rD，d（rA） ；EA＝（rA|0）＋d，從EA處讀取4個字節的數，並加載到rD。
lwz%U1%X1 %0,%1; 將%1的內容加載到%0中去；
我們就先介紹到這裏，就不分析細節方面的函數了，如果要深入的理解它可以從細節方面的着手，本文主要是分析printf函數的OS的基本的調用過程，是爲讓初學者對它有個大概的認識，以便於後續的學習，當然本文跟多的是我個人的理解，所以中間肯定存在理解錯誤的地方；在後續工作中我將會深入的去了解它的具體的過程，並且會寫成文檔收集起來以供有需要的人學習。twi 0,%0,0; 這是內核的寄存器的配置，具體執行什麼就需要根據具體的芯片指令手冊進行查找了，這裏不作具體介紹；isync 這個是同步數據的指令；: "=r" (ret) “=r”表示以寄存器變量的形式輸出數據，然後將數據給ret變量，它對應上面指令的%0；: "m" (*addr) “m” 表示輸入的是內存中的變量，它對應的是%1，也就是將*addr替換%1；