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《Linux – Linux高级编程 – 第一部分 标准IO及文件IO》第5章串口编程

Linux高级编程 BruceOu 5个月前 (03-07) 123次浏览 0个评论

s1iXE8.jpg

5.1串口概述

随着嵌入式系统应用的发展,Linux操作系统的应用也越来越广泛。Linux作为一款免费的并且开放源代码的操作系统,与Windows操作系统相比有许多独特的优势。

Linux可以进行定制内核;Linux的GUI图形界面能够任意选择;Linux可以更方便、更安全地进行远程操作。

随着Linux操作系统的不断发展和完善,基于Linux操作系统的软件开发也得到了长足的发展和应用。如果在工控领域引入Linux,不可避免的会遇到在嵌入式Linux下如何实现串行通信的问题。

在Linux操作系统下,对设备和文件的操作都等同于文件的操作,这样大大简化了系统对不同设备的操作,提高了效率。

在程序中,设备和文件都是通过文件描述符来操作的。文件描述符是一个非负数的索引值,指向内核中每个进程打开的文件记录表。当打开一个现存的文件或者创建一个新文件时,内核就向进程返回一个文件描述符。当需要对设备进行读写操作时,也需要把文件描述符作为参数传递给相应的函数。

Linux的设备文件都存放在“/dev”目录下,串口资源对应的设备名是“/dev/ttys+编号”,因此串口对应的设备文件的路径是“/dev/ttys*”。而且USB转串口的设备名通常为“/dev/ttyUSB0”,在Linux下对设备的操作方法与对文件的操作方法一样。

5.2串口设置详解

串口的设置主要是设置struct termios结构体的各成员值,如下所示:

#include<termios.h>
struct termios
{ 
        unsigned short c_iflag; /* 输入模式标志 */ 
        unsigned short c_oflag; /* 输出模式标志 */ 
        unsigned short c_cflag; /* 控制模式标志 */
        unsigned short c_lflag; /* 本地模式标志 */
        unsigned char c_line; /* 线路规程 */
        unsigned char c_cc[NCC]; /* 控制特性 */
        speed_t c_ispeed; /* 输入速度 */
        speed_t c_ospeed; /* 输出速度 */
};

termios是在Posix规范中定义的标准接口,表示终端设备(包括虚拟终端、串口等)。因为串口是一种终端设备,所以通过终端编程接口对其进行配置和控制。因此在具体讨论串口相关编程之前,需要先了解一下终端的相关知识。

终端是指用户与计算机进行对话的接口,如键盘、显示器和串口设备等物理设备,Windows上的虚拟终端。类UNIX操作系统都有文本式虚拟终端,使用【Ctrl+Alt】+F1~F6键可以进入文本式虚拟终端,在X Window上可以打开几十个以上的图形式虚拟终端。类UNIX操作系统的虚拟终端有xterm、rxvt、zterm、eterm等,而Windows上有crt、putty等虚拟终端。

终端有三种工作模式,分别为规范模式(canonical mode)、非规范模式(non-canonical mode)和原始模式(raw mode)

通过在termios结构的c_lflag中设置ICANNON标志来定义终端是以规范模式(设置ICANNON标志)还是以非规范模式(清除ICANNON标志)工作,默认情况为规范模式。

在规范模式下,所有的输入是基于行进行处理的。在用户输入一个行结束符(回车符、EOF等)之前,系统调用read()函数是读不到用户输入的任何字符的。除了EOF之外的行结束符(回车符等)与普通字符一样会被read()函数读取到缓冲区中。在规范模式中,行编辑是可行的,而且一次调用read()函数最多只能读取一行数据。如果在read()函数中被请求读取的数据字节数小于当前行可读取的字节数,则read()函数只会读取被请求的字节数,剩下的字节下次再被读取。

在非规范模式下,所有的输入是即时有效的,不需要用户另外输入行结束符,而且不可进行行编辑。

在非规范模式下,对参数MIN(c_cc[ VMIN])和TIME(c_cc[ VTIME])的设置决定read()函数的调用方式。设置可以有4种不同的情况。
● MIN = 0和TIME = 0:read()函数立即返回。若有可读数据,则读取数据并返回被读取的字节数,否则读取失败并返回0。
● MIN > 0和TIME = 0:read()函数会被阻塞,直到MIN个字节数据可被读取。
● MIN = 0和TIME > 0:只要有数据可读或者经过TIME个十分之一秒的时间,read()函数则立即返回,返回值为被读取的字节数。如果超时并且未读到数据,则read()函数返回0。
● MIN > 0和TIME > 0:当有MIN个字节可读或者两个输入字符之间的时间间隔超过TIME个十分之一秒时,read()函数才返回。因为在输入第一个字符后系统才会启动定时器,所以,在这种情况下,read()函数至少读取一个字节后才返回。

按照严格意义来讲,原始模式是一种特殊的非规范模式。在原始模式下,所有的输入数据以字节为单位被处理。在这个模式下,终端是不可回显的,而且所有特定的终端输入/输出控制处理不可用。通过调用cfmakeraw()函数可以将终端设置为原始模式,而且该函数通过以下代码可以得到实现:

termios_p->c_iflag &= ~(IGNBRK | BRKINT | PARMRK | ISTRIP| INLCR | IGNCR | ICRNL | IXON);
termios_p->c_oflag &= ~OPOST;
termios_p->c_lflag &= ~(ECHO | ECHONL | ICANON | ISIG | IEXTEN);
termios_p->c_cflag &= ~(CSIZE | PARENB);
termios_p->c_cflag |= CS8;

现在讲解设置串口的基本方法。如上所述,串口设置最基本的操作包括波特率设置,校验位和停止位设置。在这个结构中最为重要的是c_cflag,通过对它的赋值,用户可以设置波特率、字符大小、数据位、停止位、奇偶校验位和硬软流控等。另外,c_iflag和c_cc也是比较常用的标志。在此主要对这3个成员进行详细说明。c_cflag支持的常量名称如表1所示。其中设置波特率宏名为相应的波特率数值前加上B,由于数值较多,本表没有全部列出。

表1 c_cflag支持的常量名称
CBAUD 波特率的位掩码
B0 0波特率(放弃DTR)
B1800 1800波特率
B2400 2400波特率
B4800 4800波特率
B9600 9600波特率
B19200 19200波特率
B38400 38400波特率
B57600 57600波特率
B115200 115200波特率
EXTA 外部时钟率
EXTB 外部时钟率
CSIZE 数据位的位掩码
CS5 5个数据位
CS6 6个数据位
CS7 7个数据位
CS8 8个数据位
CSTOPB 2个停止位(不设则是1个停止位)
CREAD 接收使能
PARENB 校验位使能
PARODD 使用奇校验而不使用偶校验
HUPCL 最后关闭时挂线(放弃DTR)
CLOCAL 本地连接(不改变端口所有者)
CRTSCTS 硬件流控

在这里,对于c_cflag成员不能直接对其初始化,而要将其通过“与”、“或”操作使用其中的某些选项。

输入模式标志c_iflag用于控制端口接收端的字符输入处理。c_iflag支持的常量名称,如表2所示。

表2 c_iflag支持的常量名称
INPCK 奇偶校验使能
IGNPAR 忽略奇偶校验错误
PARMRK 奇偶校验错误掩码
ISTRIP 裁减掉第8位比特
IXON 启动输出软件流控
IXOFF 启动输入软件流控
INPCK 奇偶校验使能
IXANY 允许输入任意字符可以重新启动输出(默认为输入起始字符才重启输出)
IGNBRK 忽略输入终止条件
BRKINT 当检测到输入终止条件时发送SIGINT信号
INLCR 将接收到的NL(换行符)转换为CR(回车符)
IGNCR 忽略接收到的CR(回车符)
ICRNL 将接收到的CR(回车符)转换为NL(换行符)
IUCLC 将接收到的大写字符映射为小写字符
IMAXBEL 当输入队列满时响铃

c_oflag用于控制终端端口发送出去的字符处理,c_oflag支持的常量名称如表3所示。因为现在终端的速度比以前快得多,所以大部分延时掩码几乎没什么用途。

表3 c_oflag支持的常量名称
OPOST 启用输出处理功能,如果不设置该标志则其他标志都被忽略
OLCUC 将输出中的大写字符转换成小写字符
ONLCR 将输出中的换行符(’\n’)转换成回车符(’\r’)
ONOCR 如果当前列号为0,则不输出回车符
OCRNL 将输出中的回车符(’\r’)转换成换行符(’\n’)
ONLRET 不输出回车符
OFILL 发送填充字符以提供延时
OFDEL 如果设置该标志,则表示填充字符为DEL字符,否则为NUL字符
NLDLY 换行符延时掩码
CRDLY 回车符延时掩码
TABDLY 制表符延时掩码
BSDLY 水平退格符延时掩码
VTDLY 垂直退格符延时掩码
FFLDY 换页符延时掩码

c_lflag用于控制终端的本地数据处理和工作模式,c_lflag所支持的常量名称如表4所示。

表4 c_lflag支持的常量名称
ISIG 若收到信号字符(INTR、QUIT等),则会产生相应的信号
ICANON 启用规范模式
ECHO 启用本地回显功能
ECHOE 若设置ICANON,则允许退格操作
ECHOK 若设置ICANON,则KILL字符会删除当前行
ECHONL 若设置ICANON,则允许回显换行符
ECHOCTL 若设置ECHO,则控制字符(制表符、换行符等)会显示成“^X”,其中X的ASCII码等于给相应控制字符的ASCII码加上0x40。例如,退格字符(0x08)会显示为“^H”(’H’的ASCII码为0x48)
EC HOPRT 若设置ICANON和IECHO,则删除字符(退格符等)和被删除的字符都会被显示
ECHOKE 若设置ICANON,则允许回显在ECHOE和ECHOPRT中设定的KILL字符
NOFLSH 在通常情况下,当接收到INTR、QUIT和SUSP控制字符时,会清空输入和输出队列。如果设置该标志,则所有的队列不会被清空
TOSTOP 若一个后台进程试图向它的控制终端进行写操作,则系统向该后台进程的进程组发送|SIGTTOU信号。该信号通常终止进程的执行
IEXTEN 启用输入处理功能

c_cc定义特殊控制特性,c_cc所支持的常量名称如表5所示。

表5 c_cc支持的常量名称
VINTR 中断控制字符,对应键为Ctrl+C
VQUIT 退出操作符,对应键为Ctrl+Z
VERASE 删除操作符,对应键为Backspace(BS)
VKILL 删除行符,对应键为Ctrl+U
VEOF 文件结尾符,对应键为Ctrl+D
VEOL 附加行结尾符,对应键为Carriage return(CR)
VEOL2 第二行结尾符,对应键为Line feed(LF)
VMIN 指定最少读取的字符数
VTIME 指定读取的每个字符之间的超时时间

下面就详细讲解设置串口属性的基本流程。

1.保存原先串口配置
首先,为了安全起见和以后调试程序方便,可以先保存原先串口的配置,在这里可以使用函数tcgetattr(fd, &old_cfg)。该函数得到由fd指向的终端的配置参数,并将它们保存于termios结构变量old_cfg中。该函数还可以测试配置是否正确、该串口是否可用等。若调用成功,函数返回值为0,若调用失败,函数返回值为-1,其使用如下所示:

if (tcgetattr(fd, &old_cfg) != 0) 
{
        perror("tcgetattr");
        return -1;
}

2.激活选项
CLOCAL和CREAD分别用于本地连接和接收使能,因此,首先要通过位掩码的方式激活这两个选项。

newtio.c_cflag |= CLOCAL | CREAD;

调用cfmakeraw()函数可以将终端设置为原始模式,在后面的实例中,采用原始模式进行串口数据通信。

cfmakeraw(&new_cfg);

3.设置波特率
设置波特率有专门的函数,用户不能直接通过位掩码来操作。设置波特率的主要函数有cfsetispeed()和cfsetospeed()。这两个函数的使用很简单,如下所示:

cfsetispeed(&\&new_cfg, B115200);
cfsetospeed(&new_cfg, B115200);

cfsetispeed()函数在termios结构中设置数据输入波特率,而cfsetospeed()函数在termios结构中设置数据输入波特率。一般来说,用户需将终端的输入和输出波特率设置成一样的。这几个函数在成功时返回0,失败时返回-1。

4.设置字符大小
与设置波特率不同,设置字符大小并没有现成可用的函数,需要用位掩码。一般首先去除数据位中的位掩码,再重新按要求设置,如下所示:

new_cfg.c_cflag &= ~CSIZE; /* 用数据位掩码清空数据位设置 */
new_cfg.c_cflag |= CS8;

5.设置奇偶校验位
设置奇偶校验位需要用到termios中的两个成员:c_cflag和c_iflag。首先要激活c_cflag中的校验位使能标志PARENB和确认是否要进行校验,这样会对输出数据产生校验位,而对输入数据进行校验检查。同时还要激活c_iflag中的对于输入数据的奇偶校验使能(INPCK)。如使能奇校验时,代码如下所示:

new_cfg.c_cflag |= (PARODD | PARENB);
new_cfg.c_iflag |= INPCK;

而使能偶校验时,代码如下所示:

new_cfg.c_cflag |= PARENB;
new_cfg.c_cflag &= ~PARODD; /* 清除偶奇校验标志,则配置为偶校验 */
new_cfg.c_iflag |= INPCK;

6.设置停止位
设置停止位是通过激活c_cflag中的CSTOPB而实现的。若停止位为一个比特,则清除CSTOPB;若停止位为两个,则激活CSTOPB。以下分别是停止位为一个和两个比特时的代码:

new_cfg.c_cflag &= ~CSTOPB; /* 将停止位设置为一个比特 */
new_cfg.c_cflag |= CSTOPB; /* 将停止位设置为两个比特 */

7.设置最少字符和等待时间
在对接收字符和等待时间没有特别要求的情况下,可以将其设置为0,则在任何情况下read()函数立即返回,此时串口操作会设置为非阻塞方式,如下所示:

new_cfg.c_cc[VTIME] = 0;
new_cfg.c_cc[VMIN] = 0;

8.清除串口缓冲
由于串口在重新设置后,需要对当前的串口设备进行适当的处理,这时就可调用在<termios.h>中声明的tcdrain()、tcflow()、tcflush()等函数来处理目前串口缓冲中的数据,它们的格式如下所示:

int tcdrain(int fd); /* 使程序阻塞,直到输出缓冲区的数据全部发送完毕 */
int tcflow(int fd, int action); /* 用于暂停或重新开始输出 */
int tcflush(int fd, int queue_selector); /* 用于清空输入/输出缓冲区 */

在本实例中使用tcflush()函数,对于在缓冲区中尚未传输的数据,或者收到的但是尚未读取的数据,其处理方法取决于queue_selector的值,它可能的取值有以下几种。

● TCIFLUSH:对接收到而未被读取的数据进行清空处理。
● TCOFLUSH:对尚未传送成功的输出数据进行清空处理。
● TCIOFLUSH:包括前两种功能,即对尚未处理的输入/输出数据进行清空处理。

如在本例中所采用的是第一种方法,当然可以使用TCIOFLUSH参数:

tcflush(fd, TCIFLUSH);

9.激活配置
在完成全部串口配置后,要激活刚才的配置并使配置生效。这里用到的函数是tcsetattr(),它的函数原型是:

tcsetattr(int fd, int optional_actions, const struct termios *termios_p);

其中,参数termios_p是termios类型的新配置变量。

参数optional_actions可能的取值有以下3种。

● TCSANOW:配置的修改立即生效。
● TCSADRAIN:配置的修改在所有写入fd的输出都传输完毕之后生效。
● TCSAFLUSH:所有已接收但未读入的输入都将在修改生效之前被丢弃。

该函数若调用成功则返回0,若失败则返回-1,代码如下所示:

if ((tcsetattr(fd, TCSANOW, &new_cfg)) != 0)
{
        perror("tcsetattr");
        return -1;
}
````
下面给出了串口配置的完整函数。为了函数的通用性,通常将常用的选项都在函数中列出,这样可以大大方便以后用户的调试使用。该设置函数如下所示:
```c
int set_com_config(int fd,int baud_rate, 
int data_bits, char parity, int stop_bits)
{
        struct termios new_cfg,old_cfg;
        int speed;
    /* 保存并测试现有串口参数设置,在这里如果串口号等出错,会有相关的出错信息 */
        if (tcgetattr(fd, &old_cfg) != 0) 
        {
            perror("tcgetattr");
            return -1;
        }
/*设置字符大小*/
        new_cfg = old_cfg;
        cfmakeraw(&new_cfg); /* 配置为原始模式 */
        new_cfg.c_cflag &= ~CSIZE;
        /* 设置波特率 */
        switch (baud_rate)
        {
            case 2400:
            {
                speed = B2400;
            }
            break;
            case 4800:
            {
                speed = B4800;
            }
            break;
            case 9600:
            {
                speed = B9600;
            }
            break;
            case 19200:
            {
                speed = B19200;
            }
            break;
            case 38400:
            {
                speed = B38400;
            }
            break;
            default:
            case 115200:
            {
                speed = B115200;
            }
            break;
        }
        cfsetispeed(&new_cfg, speed);
        cfsetospeed(&new_cfg, speed);
        switch (data_bits) /* 设置数据位 */
        {
            case 7:
            {
                new_cfg.c_cflag |= CS7;
            }
            break;
            default:
            case 8:
            {
                new_cfg.c_cflag |= CS8;
             }
            break;
        }
        switch (parity) /* 设置奇偶校验位 */
        {
            default:
            case 'n':
            case 'N':
            {
                new_cfg.c_cflag &= ~PARENB; 
                new_cfg.c_iflag &= ~INPCK; 
            }
            break;
            case 'o':
            case 'O':
            {
                new_cfg.c_cflag |= (PARODD | PARENB); 
                new_cfg.c_iflag |= INPCK; 
            }
            break;
            case 'e':
            case 'E':
            {
                new_cfg.c_cflag |= PARENB; 
                new_cfg.c_cflag &= ~PARODD; 
                new_cfg.c_iflag |= INPCK; 
            }
            break;

            case 's': /* as no parity */
            case 'S':
            {
                new_cfg.c_cflag &= ~PARENB;
                new_cfg.c_cflag &= ~CSTOPB;
            }
            break;
        }
        switch (stop_bits) /* 设置停止位 */
        {
            default:
            case 1:
            {
                new_cfg.c_cflag &= ~CSTOPB;
            }
            break;

            case 2:
            {
                new_cfg.c_cflag |= CSTOPB;
            }
        }
        /* 设置等待时间和最小接收字符 */
        new_cfg.c_cc[VTIME] = 0;
        new_cfg.c_cc[VMIN] = 1;
        tcflush(fd, TCIFLUSH); /* 处理未接收字符 */
        if ((tcsetattr(fd, TCSANOW, &new_cfg)) != 0) /* 激活新配置 */
        {
            perror("tcsetattr");
            return -1;
        } 
        return 0;
}

5.3串口使用详解

在配置完串口的相关属性后,就可以对串口进行打开和读写操作了。它所使用的函数和普通文件的读写函数一样,都是open()、write()和 read()。它们之间的区别的只是串口是一个终端设备,因此在选择函数的具体参数时会有一些区别。另外,这里会用到一些附加的函数,用于测试终端设备的 连接情况等。下面将对其进行具体讲解。

1.打开串口

打开串口和打开普通文件一样,都是使用open()函数,如下所示:

fd = open( "/dev/ttyS0", O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY);

可以看到,这里除了普通的读写参数外,还有两个参数O_NOCTTY和O_NDELAY。

 O_NOCTTY标志用于通知Linux系统,该参数不会使打开的文件成为这个进程的控制终端。如果没有指定这个标志,那么任何一个输入(诸如键盘中止信号等)都将会影响用户的进程。
  O_NDELAY标志通知Linux系统,这个程序不关心DCD信号线所处的状态(端口的另一端是否激活或者停止)。如果用户指定了这个标志,则进程将会一直处在睡眠状态,直到DCD信号线被激活。

接下来可恢复串口的状态为阻塞状态,用于等待串口数据的读入,可用fcntl()函数实现,如下所示:

fcntl(fd, F_SETFL, 0);

再接着可以测试打开文件描述符是否连接到一个终端设备,以进一步确认串口是否正确打开,如下所示:

isatty(STDIN_FILENO);

该函数调用成功则返回0,若失败则返回-1。

这时,一个串口就已经成功打开了。接下来就可以对这个串口进行读和写操作。

2.读写串口

读写串口操作和读写普通文件一样,使用read()和write()函数即可,如下所示:

write(fd, buff, strlen(buff));
read(fd, buff, BUFFER_SIZE);

下面两个实例给出了串口读和写的两个程序,其中用到前面所讲述的open_port()和set_com_config ()函数。写串口的程序将在宿主机上运行,读串口的程序将在目标板上运行。
写串口的程序如下所示。

/*com_writer.c*/
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<errno.h>
#include "uart_api.h"
int main(void)
{
    int fd;
    char buff[BUFFER_SIZE];
    if((fd=open_port(HOST_COM_PORT))<0)  /*打开串口*/
    {
        perror("open_port");
        return 1;
    }
    if(set_com_config(fd,115200,8,'N',1)<0) /*配置串口*/
    {
        perror("set_com_config error");
        return 1;
    }
    do
    {
        printf("Input some words(enter 'quit' to exit):");
        memset(buff,0,BUFFER_SIZE);
        if(fgets(buff,BUFFER_SIZE,stdin)==NULL)
        {
            perror("fgets");
            break;
        }
        write(fd,buff,strlen(buff));
    }while(strncmp(buff,"quit",4));
    close(fd);
    return 0;
}

读串口的程序如下所示:

/*com_reader.c*/
#include "uart_api.h"
int main(void)
{
 int fd;
    char buff[BUFFER_SIZE];
    if((fd=open_port(TARGET_COM_PORT))<0)
    {
        perror("open_port");
        return 1;
    }
    if(set_com_config(fd,115200,8,'N',1)<0) /*配置串口*/
    {
        perror("set_com_config ");
        return 1;
    }
    do
{
        memset(buff,0,BUFFER_SIZE);
        if(read(fd,buff,BUFFER_SIZE)>0)
        {
            printf("the receive words are:%s",buff);
        }
    }while(strncmp(buff,"quit",4));
   close(fd);
    return 0;
}

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