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

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。

<center>表1 c_cflag支持的常量名称</center>

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。

<center>表2 c_iflag支持的常量名称</center>

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。

<center>表3 c_oflag支持的常量名称</center>

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。

<center>表4 c_lflag支持的常量名称</center>

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。

<center>表5 c_cc支持的常量名称</center>

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：

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;
}