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使用STM32实现一个线性代数计算器

news 2025/7/13 1:14:37

文章目录

背景
挑战与困难
- 如何整合编译？
- - error: non-ASM statement in naked function is not supported
  - error: '#pragma import' is an ARM Compiler 5 extension, and is not supported by ARM Compiler 6
  - error: redefinition of '__FILE'
- 改造demo中的cout
- 改造delete运算符
总结与展望

背景

在文章使用C/C++实现线性代数计算——环境bringup 中，围绕Eigen介绍了使用在各种场合下的环境bringup和编译问题，本文接着上文的内容，详细记录一下基于MDK5+Eigen+STM32来实现一个线性代数计算器的过程，里面还是有很多问题可以学习分享一下的。

挑战与困难

首先，Eigen是一个C++框架的开源项目，虽说不依赖什么OS之类的东西，但是若要完全跑在STM32裸机中，还是有一些问题和适配难点需要解决的，本文先详细介绍一下如果规避这些问题，给大家一个参考，解决思路可能不是最优的，如果你有更好的解决思路，不妨评论一下，我们一起相互学习交流一下~~

本文使用的环境时MDK5.35 + eigen3.4.0 + STM32F103ZE系列开发板

如何整合编译？

在使用C/C++实现线性代数计算——环境bringup 一文的文末，简单提了一下在Keil中的编译环境配置，借助MDK官方提供的启动文件，能编译链接生成一个bin文件。如果要想真的在STM32里面跑起来是远远不够的，首先里面的printf函数、std::cout输出流在stm32上就没有，所以为了验证编译出的bin文件到底能不能直接烧写到stm32里面直接跑，笔者找了一个stm32串口demo程序，在里面接入Eigen，然后调用Eigen提供的矩阵运算API，通过串口发出来（本文末会将改造后的demo发出来供大家参考）。具体实现的效果如下：
串口输出
项目中关键文件目录树如下：
目录树结构
添加官方提供的example.c文件和cpp文件(详见使用C/C++实现线性代数计算——环境bringup ，后面不再赘述)，不过需要修改一下，具体如下：

考虑到在main.c里已经有一个main函数了，并且后面会主要借助main.c里的main函数初始化外设，所以需要将example.c里面有一个int main函数改个名字，void test_eigen()，然后在main函数里加上如下语句：
（PS：我这里的改法仅仅是为了方便验证Eigen的功能，一个完整、规范的项目最好不要瞎几把跨文件用extern声明函数，项目复杂之后可读性会非常差，这是一个反例，大家不要学我！）

然后，按照之前的文章，修改Target里面的ARM Compiler选择版本6，C/C++里面版本和之前文章一样即可。然后点击编译，会有很多错误，我们一个一个来解决。

error: non-ASM statement in naked function is not supported

完整的报错是：…/CORE/core_cm3.c(445): error: non-ASM statement in naked function is not supported
这个报错的根因是ARM Ver6 Compiler不支持旧版本的core_cm3.c里面的C中的汇编指令，解决的思路有三个：

编译器换回V5（换回V5不支持C++编译，行不通）；
把core_cm3.c和core_cm3.h升级到新版本（这个没试过，不过应该可以，用新版的stcCubeMX生成一个demo，看看里面是不是新的，然后替换掉旧的好不好使，笔者没试这个路子）；
把core_cm3.c从项目中删了（试了，可以，为啥可以删掉？可能是用V5编译生成过.o文件，即便从项目里把core_cm3.c删掉了，链接时仍能用缓存的目标文件）；

error: ‘#pragma import’ is an ARM Compiler 5 extension, and is not supported by ARM Compiler 6

具体报错信息是：
…/SYSTEM/usart/usart.c(39): error: ‘#pragma import’ is an ARM Compiler 5 extension, and is not supported by ARM Compiler 6 [-Warmcc-pragma-import]
#pragma import(__use_no_semihosting)
^
这个错误说的很明白，V6版本的arm编译器不支持’#pragma import’ 语法，那为啥要用到 ‘#pragma import’ 语句呢？回到代码里看一下，这一行具体是#pragma import(__use_no_semihosting) ，它的作用是关掉arm的半主机模式。

所谓半主机模式：是用于ARM目标的一种机制；可将来自STM32单片机应用程序的输入输出请求传送至运行仿真器的PC主机。使用此机制可以启用C库中的函数，如printf()和scanf()，来使用PC主机的屏幕和键盘。禁掉后方可使用重定向手段，将printf函数的标准输出重定向到串口上，这样就可以用printf函数打印字符串，然后在串口里读到数据，这种骚操作非常适合调试，具体细节可以参考：【stm32串口打印】printf函数的使用方法，注意事项，原理以及拓展，个人学习理解总结。

那如果用了V6版本的编译器，就不能禁掉半主机模式了，下面会将平提方法，我们先接着看错误。

error: redefinition of ‘__FILE’

具体报错信息是这个：
…/SYSTEM/usart/usart.c(41): error: redefinition of ‘__FILE’
struct __FILE
对应的源码还是：

//
//加入以下代码,支持printf函数,而不需要选择use MicroLIB	  
#if 1
#pragma import(__use_no_semihosting)             
//标准库需要的支持函数                 
struct __FILE 
{ int handle; }; FILE __stdout;       
//定义_sys_exit()以避免使用半主机模式    
void _sys_exit(int x) 
{ x = x; 
} 
//重定义fputc函数 
int fputc(int ch, FILE *f)
{      while((USART1->SR&0X40)==0);//循环发送,直到发送完毕   USART1->DR = (u8) ch;      return ch;
}

原因是在stdio.h里面已经有一个struct __FILE定义了，为啥这里又要重新定义一个struct __FILE？还是因为要用printf函数，因为printf函数本质上就是将格式化后的字符串打印到标准输出上，本质上标准输出就是一个FILE类型的变量（一切皆文件？以后再探究了，这里先不展开了）。

所以综合来看，我们只需要先不用printf函数打印字符串应该就能规避上述两个问题了，这里笔者提供的平提方案是：

#define USART_SEND_BUFFER_SIZE	(128)
#define USART_RECV_BUFFER_SIZE	(128)
void USART_SendString(char *str)
{uint8_t idx = 0;while (*(str+idx)){USART_SendData(USART1, *(str+idx));while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC)!=SET);idx++;}
}void u_printf(const char *format,...)
{char String[USART_SEND_BUFFER_SIZE] = {0};__va_list arg;//定义一个参数列表变量va_list是一个类型名，arg是变量名va_start(arg,format);	 //从format位置开始接收参数表放在arg里面//sprintf打印位置是String，格式化字符串是format，参数表是arg，对于封装格式sprintf要改成vsprintfvsprintf(String,format,arg);va_end(arg);			 //释放参数表USART_SendString(String);//发送String
}

原理相当于是重写了一个接口叫u_printf，传参啥的跟printf函数是一样的，但是输出到的是串口。

改造demo中的cout

除了上面的问题，还有在binary_library.cpp中用了std::cout方法打印矩阵的值，由于stm32没有OS，所以也不存在什么标准IO流了，这里也需要改造，具体做法是：
将：

void MatrixXd_print(const C_MatrixXd *m)
{std::cout << c_to_eigen(m) << std::endl;
}

改为：

void MatrixXd_print(const C_MatrixXd *m)
{MatrixXd cpp_m = c_to_eigen(m);unsigned char r = cpp_m.rows();unsigned char c = cpp_m.cols();char val[32] = {0};while (r){while(c){sprintf(val, "%.3f \t", cpp_m(r - 1, c - 1));USART_SendString(val);c--;}r--;c = cpp_m.cols();USART_SendString("\r\n");}
}

除了void MatrixXd_print(const C_MatrixXd *m)函数，void Map_MatrixXd_print(const C_Map_MatrixXd *m)也是一样的，改造后的内容如下：

void Map_MatrixXd_print(const C_Map_MatrixXd *m)
{MatrixXd cpp_m = c_to_eigen(m);unsigned char r = cpp_m.rows();unsigned char c = cpp_m.cols();char val[32] = {0};while (r){while(c){sprintf(val, "%.3f \t", cpp_m(r - 1, c - 1));USART_SendString(val);c--;}r--;c = cpp_m.cols();USART_SendString("\r\n");}
}

本质上原理是将Eigen中MatrixBase类提供的operator<<运算符重载方法改成了C语言中能直接用的方法。

改造delete运算符

在binary_library.cpp文件中，void MatrixXd_delete(C_MatrixXd *m)和void Map_MatrixXd_delete(C_Map_MatrixXd *m)函数用了delete运算符释放堆内存，本身在cpp文件中是支持的，但是放到stm32中这么操作就会导致Hardfault，这里也需要改造一下，改成free函数，如下：

void MatrixXd_delete(C_MatrixXd *m)
{
//  delete &c_to_eigen(m);if (NULL != m){free(m);m = NULL;}
}// skip .....void Map_MatrixXd_delete(C_Map_MatrixXd *m)
{
//  delete &c_to_eigen(m);if (NULL != m){free(m);m = NULL;}
}

这里还需要啰嗦一句，按理说stm32里面没跑什么os，连内存管理机制都没有，free()函数还是delete运算符都是无意义的，为啥用new或者malloc就没区别，free()换成delete就不行呢？先埋个引子，以后再去探究了，如果有懂的大哥，也帮忙解答一下，感谢。

总结与展望

本文主要介绍了将Eigen项目移植到stm32开发板上遇到的一些问题以及解决办法，完整的例程请关注VX公众号“24K纯学渣”回复关键词“stm32_eigen”获取。

当前，笔者提供的demo还是太简单，基本上就做了一个矩阵运算和打印，只是卖出了第一步，可扩展的空间着实不小，例如：

加上交互功能，可以是串口式的、CLI式的、或者复杂一些整个可触摸的LCD，做成像手机APP一样的；
除了矩阵基本运算，还可以加一些复杂的比如正交分解、求解行列式值、求特征值、特征向量；
除了线性代数运算以外，还可以求解微分方程，机器人运动学解逆、无人机视觉定位等等；

如果你也刚好对上述内容感兴趣，欢迎来学习交流噢！