Linux环境应用编程（九）：串口

一：串口概述

         UART的操作主要可分为以下几个部分：数据发送，数据接收，产生中断，设置波特率，Loopback模式，红外模式以及硬软流控模式。在Linux中，所有的设备文件一般都是位于“/dev”下，其中串口1和串口2对应的设备名依次为“/dev/ttyS0”和“/dev/ttyS1”，而且USB转串口的设备名通常为“/dev/ttyUSB0”和“/dev/ttyUSB1”，可以查看在“/dev”下的文件以确认，在Linux下对设备的操作方法与对文件的操作方法是一样的，因此对串口的读写就可以使用简单的read()和write()函数来完成，所不同只是需要对串口的其他参数另做配置。

二：串口设置

串口的设置主要是设置 struct termios 结构体的各成员值：

#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）。口是一种终端设备，一般通过终端编程接口对其进行配置和控制。在具体讲解串口相关编程之前，先了解一下终端相关知识。终端有 3 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。在用户输入一个行结束符（回车符、EOF 等）之前，系统调用read()函数读不到用户输入的任何字符。除了 EOF 之外的行结束符（回车符等）与普通字符一样会被 read()函数读取到缓冲区之中。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之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之后才返回。

       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，具体实现：

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

        设置串口中最基本的包括波特率设置，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。在这里，不能直接对 c_cflag 成员初始化，而要将其通过“与”、“或”操作使用其中的某些选项。

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

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：

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
IXANY 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

输出模式标志 c_oflag 用于控制端端口发送出去的字符处理。

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 换行延时掩码
CRDLY 回车延时掩码
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 用于控制控制终端的本地数据处理和工作模式。

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）
ECHOPRT 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 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 CRTL+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

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 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，函数返值为 0，若调用失败，函数返回值为-1。

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受使能，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()。一般地，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。

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

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。

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 和是否要进行偶校验，同时还要激活 c_iflag 中的对于输入数据的奇偶校验使能（INPCK）。

使能奇校验：
new_cfg.c_cflag |= (PARODD | PARENB);
new_cfg.c_iflag |= INPCK;

使能偶校验：
new_cfg.c_cflag |= PARENB;
new_cfg.c_cflag &= ~PARODD; /* 清除偶校验标志，则配置为奇校验*/
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，则清除 CSTOPB，若停止位为两个，则激活 CSTOPB。

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事件

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。

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之后，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。

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*/

        tcflush()函数对于在缓冲区中的尚未传输的数据，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。
如采用的是第一种方法：tcflush(fd, TCIFLUSH);

9、激活配置

在完成全部串口配置之后，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);

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：所有已接受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;
}

三：配置模板

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);
    /*设置数据位*/
    switch (data_bits)
    {
        case 7:
        {
            new_cfg.c_cflag |= CS7;
        }
        break;
        default:
        case 8:
        {
            new_cfg.c_cflag |= CS8;
        }
        break;
    }
    /*设置奇偶校验位*/
    switch (parity)
    {
        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;
    }
    /*设置停止位*/
    switch (stop_bits)
    {
        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;
    /*处理未接收字符*/
    tcflush(fd, TCIFLUSH);
    /*激活新配置*/
    if ((tcsetattr(fd, TCSANOW, &new_cfg)) != 0)
    {
        perror("tcsetattr");
        return -1;
    }
    return 0;
}

四：串口实例

         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。

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，该函数调用成功则返回 0，若失败则返回-1。如下所示：

isatty(STDIN_FILENO);

/*打开串口函数*/
int open_port(int com_port)
{
    int fd;
#if (COM_TYPE == GNR_COM) /* 使用普通串口 */
    char *dev[] = {"/dev/ttyS0", "/dev/ttyS1", "/dev/ttyS2"};
#else /* 使用 USB 转串口 */
    char *dev[] = {"/dev/ttyUSB0", "/dev/ttyUSB1", "/dev/ttyUSB2"};
#endif
    if ((com_port < 0) || (com_port > MAX_COM_NUM))
    {
        return -1;
    }
    /* 打开串口 */
    fd = open(dev[com_port - 1], O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open serial port");
        return(-1);
    }
    /*恢复串口为阻塞状态*/
    if (fcntl(fd, F_SETFL, 0) < 0)
    {
        perror("fcntl F_SETFL\n");
    }
    /*测试是否为终端设备*/
    if (isatty(STDIN_FILENO) == 0)
    {
        perror("standard input is not a terminal device");
    }
    return fd;
}

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");
        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 <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(TARGET_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");
        return 1;
    }
    do
    {
        memset(buff, 0, BUFFER_SIZE);
        if (read(fd, buff, BUFFER_SIZE) > 0)
        {
            printf("The received words are : %s", buff);
        }
    } while(strncmp(buff, "quit", 4));
    close(fd);
    return 0;
}

在宿主机上运行写串口的程序，而在目标板上运行读串口的程序，运行结果如下所示。

/* 宿主机 ，写串口*/
$ ./com_writer
Input some words(enter 'quit' to exit):hello, Reader!
Input some words(enter 'quit' to exit):I'm Writer!
Input some words(enter 'quit' to exit):This is a serial port testing program.
Input some words(enter 'quit' to exit):quit
/* 目标板 ，读串口*/
$ ./com_reader
The received words are : hello, Reader!
The received words are : I'm Writer!
The received words are : This is a serial port testing program.
The received words are : quit