linux串口編程

在linux下編寫終端程序時，有規範模式，非規範模式（原始模式特殊的非規範模式）之分。不用於終端，而是在串口這種使用情況下，一般設置爲原始模式（非規範的一種特殊情況）。但用read()函數，希望從串口接收指定的數量的字符時，往往接收到的實際字符數，都與指定的不同。如本人用read（）希望接收 10 bytes的數據，但實驗後發現，分了幾次才接收到，倆次接收2bytes ，兩次接收3bytes。

查閱相關資料得知：

一般地串口的讀寫模式有直接模式和緩存模式，在直接模式下，串口的讀寫都是單字節的，也就是說一次的read或write只能操作一個字節；

但是大部份串口芯片都支持緩存模式，緩存模式一般同時支持中斷聚合和超時機制，也就是說在有數據時，當緩存滿或者超時時間到時，都會觸發讀或寫中斷。寫的時候可以將要操作的數據先搬到緩存裏，然後啓動寫操作，芯片會自動將一連串的數據寫出，在讀的時候類似，一次讀到的是串口芯片緩存裏的數據。串口設備的緩存一般有限，一次能read到的最大字節數就是緩存的容量。所以串口芯片的緩存容量決定了你一次能收到的字節數。本人用一個usb轉232來充當串口接收時，發現一次可以接收8個bytes。

對於具體一次傳輸多少字節也不去追究了，總之通訊過程中無法保證一次發送的數據肯定是一次接收的，所以必須寫代碼來一次一次的接收，直到接收滿足預定的爲止，當然在此過程中得使用select/poll來避免超時接收。

即從通訊的角度來說，接受方必須自己解決如何識別一個禎的問題。
（操作串口相當於操作物理層，OSI／ISO模型中的第一層，解決禎同步問題是第二層的任務，所以我們需要自己搭一個第二層。
也就是說：我們需要通過定義通訊協議，規定數據的內容自己分析什麼時候收完了一次需要的數據。因爲通訊過程中無法保證一次發送的數據肯定是一次接收的）

下面來解決識別幀的問題：

不是編寫終端，我們一幫都採用原始模式；進行簡單的串口編程，一般設置成阻塞模式，便可以了。但是在大多數應用場合，把串口設置成阻塞模式是很不實用的，如read()時，如果沒有數據發來，這程序一直會阻塞在這裏（除非用多線程）。因此一般把其設置爲非阻塞模式。一般是需要用串口讀取指定長度的數據，但是read函數實際讀取的數據長度，往往會與指定的不同，所以必須自己編寫一個讀寫N字節數據的函數:

很快想到用個循環，但是循環中必須有 ‘即使一直沒有收到指定長度的數據但在一定時間後也必須跳出循環’的機制，否則就與阻塞模式的沒有區別了（也就是讓函數一直等，等到指定長度數據接收爲止）。參考下APUE的程序清單14-11的readn（）函數，此函數看似很好，但是它不適合用於串口的讀取，因爲它一旦if(nread = read(fd, ptr, nleft) < 0) 就立刻會跳出循環，沒有絲毫的時間上的容限，而串口的接收必然沒有這麼快，如若波特率爲1200，是比較慢的。倆個字節傳輸的間隔，其都會被判斷爲錯誤而跳出。當然該函數對於讀寫文件是非常好用的。

ssize_t             /* Read "n" bytes from a descriptor */
readn(int fd, void *ptr, size_t n)
{
size_t  nleft;
ssize_t  nread;

nleft = n;
while (nleft > 0) {
  if ((nread = read(fd, ptr, nleft)) < 0) {
   if (nleft == n)
    return(-1); /* error, return -1 */
   else
    break;      /* error, return amount read so far */
  } else if (nread == 0) {
   break;          /* EOF */
  }
  nleft -= nread;
  ptr   += nread;
}
return(n - nleft);      /* return >= 0 */
}

再次參考下APUE的tread() 和treadn（）函數，這組函數結合了select函數，使得在放棄之前，有了個時間來阻塞。有了一定的時間容限。例如把select中的tv.tv_sec = 1;這樣就不會把原本正常的倆個字節的時間間隔，誤判爲錯誤了。

ssize_t

tread(int fd, void *buf, size_t nbytes, unsigned int timout)

{

int nfds;

fd_set readfds;

struct timeval tv;

tv.tv_sec = timout;

tv.tv_usec = 0;

FD_ZERO(&readfds);

FD_SET(fd, &readfds);

nfds = select(fd+1, &readfds, NULL, NULL, &tv);

if (nfds <= 0) {

if (nfds == 0)

errno = ETIME;

return(-1);

}

return(read(fd, buf, nbytes));

}

ssize_t

treadn(int fd, void *buf, size_t nbytes, unsigned int timout)

{

size_t nleft;

ssize_t nread;

nleft = nbytes;

while (nleft > 0) {

if ((nread = tread(fd, buf, nleft, timout)) < 0) {

if (nleft == nbytes)

return(-1); /* error, return -1 */

else

break; /* error, return amount read so far */

} else if (nread == 0) {

break; /* EOF */

}

nleft -= nread;

buf += nread;

}

return(nbytes - nleft); /* return >= 0 */

}

實際應用如：

某個串口通信協議一幀爲10個字節，linux 必須接收1幀後去解析該幀的命令。波特率1200 。在linux中必須有個讀取一幀數據的函數，該函數不能‘一直等待接收10個字節’，而必須在一定時間內沒有收到完整的一幀就放棄該幀，這樣才能防止對方發送錯誤或者通信中的錯誤帶來的問題。利用treadn()很好的配合該思路的實現。可以定時限爲10ms。如果超過10ms（可以設置長點）這treadn()也會返回，這時判斷如果實際收到的數據小於10，則丟棄即可。本人用1200的波特率，tv設置成了500us，工作的很好。

最後貼一個經典的串口編程基礎：

1.串口操作需要的頭文件

#include <stdio.h>         //標準輸入輸出定義
#include <stdlib.h>        //標準函數庫定義
#include <unistd.h>       //Unix標準函數定義
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>          //文件控制定義
#include <termios.h>     //POSIX中斷控制定義
#include <errno.h>        //錯誤號定義

2.打開串口

串口位於/dev中，可作爲標準文件的形式打開，其中：
串口1 /dev/ttyS0
串口2 /dev/ttyS1
代碼如下：

int fd;
fd = open(“/dev/ttyS0”, O_RDWR);
if(fd == -1)
{
Perror(“串口1打開失敗！”);
}
//else
//fcntl(fd, F_SETFL, FNDELAY);

除了使用O_RDWR標誌之外，通常還會使用O_NOCTTY和O_NDELAY這兩個標誌。
O_NOCTTY：告訴Unix這個程序不想成爲“控制終端”控制的程序，不說明這個標誌的話，任何輸入都會影響你的程序。
O_NDELAY：告訴Unix這個程序不關心DCD信號線狀態，即其他端口是否運行，不說明這個標誌的話，該程序就會在DCD信號線爲低電平時停止。

3.設置波特率

最基本的串口設置包括波特率、校驗位和停止位設置，且串口設置主要使用termios.h頭文件中定義的termios結構，如下：
struct termios
{
   tcflag_t  c_iflag;   //輸入模式標誌
   tcflag_t  c_oflag;  //輸出模式標誌
   tcflag_t  c_cflag;  //控制模式標誌
   tcflag_t  c_lflag;   //本地模式標誌
   cc_t   c_line;              //line discipline
   cc_t   c_cc[NCC];    //control characters
}
代碼如下：

int speed_arr[] = { B38400, B19200, B9600, B4800, B2400, B1200, B300, B38400, B19200, B9600, B4800, B2400, B1200, B300, };
int name_arr[] = {38400, 19200, 9600, 4800, 2400, 1200, 300, 38400, 19200, 9600, 4800, 2400, 1200, 300, };

void SetSpeed(int fd, int speed)
{
    int i;
    struct termios Opt;    //定義termios結構

    if(tcgetattr(fd, &Opt) != 0)
    {
        perror(“tcgetattr fd”);
        return;
    }
    for(i = 0; i < sizeof(speed_arr) / sizeof(int); i++)
    {
        if(speed == name_arr[i])
        {
            tcflush(fd, TCIOFLUSH);
            cfsetispeed(&Opt, speed_arr[i]);
            cfsetospeed(&Opt, speed_arr[i]);
            if(tcsetattr(fd, TCSANOW, &Opt) != 0)
            {
                perror(“tcsetattr fd”);
                return;
            }
            tcflush(fd, TCIOFLUSH);
        }
    }
}

注意tcsetattr函數中使用的標誌：
TCSANOW：立即執行而不等待數據發送或者接受完成。
TCSADRAIN：等待所有數據傳遞完成後執行。
TCSAFLUSH：Flush input and output buffers and make the change

4.設置數據位、停止位和校驗位

以下是幾個數據位、停止位和校驗位的設置方法：（以下均爲1位停止位）
8位數據位、無校驗位：
Opt.c_cflag &= ~PARENB;
Opt.c_cflag &= ~CSTOPB;
Opt.c_cflag &= ~CSIZE;
Opt.c_cflag |= CS8;
7位數據位、奇校驗：
Opt.c_cflag |= PARENB;
Opt.c_cflag |= PARODD;
Opt.c_cflag &= ~CSTOPB;
Opt.c_cflag &= ~CSIZE;
Opt.c_cflag |= CS7;
7位數據位、偶校驗：
Opt.c_cflag |= PARENB;
Opt.c_cflag &= ~PARODD;
Opt.c_cflag &= ~CSTOPB;
Opt.c_cflag &= ~CSIZE;
Opt.c_cflag |= CS7;
7位數據位、Space校驗：
Opt.c_cflag &= ~PARENB;
Opt.c_cflag &= ~CSTOPB;
Opt.c_cflag &= ~CSIZE;
Opt.c_cflag |= CS7;
代碼如下：

int SetParity(int fd, int databits, int stopbits, int parity)
{
    struct termios Opt;
    if(tcgetattr(fd, &Opt) != 0)
    {
        perror("tcgetattr fd");
        return FALSE;
    }
   Opt.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD);        //一般必設置的標誌

    switch(databits)        //設置數據位數
    {
    case 7:
        Opt.c_cflag &= ~CSIZE;
        Opt.c_cflag |= CS7;
        break;
    case 8:
        Opt.c_cflag &= ~CSIZE;
        Opt.c_cflag |= CS8;
        berak;
    default:
        fprintf(stderr, "Unsupported data size.\n");
        return FALSE;
    }

    switch(parity)            //設置校驗位
    {
    case 'n':
    case 'N':
        Opt.c_cflag &= ~PARENB;        //清除校驗位
        Opt.c_iflag &= ~INPCK;        //enable parity checking
        break;
    case 'o':
    case 'O':
        Opt.c_cflag |= PARENB;        //enable parity
        Opt.c_cflag |= PARODD;        //奇校驗
        Opt.c_iflag |= INPCK            //disable parity checking
        break;
    case 'e':
    case 'E':
        Opt.c_cflag |= PARENB;        //enable parity
        Opt.c_cflag &= ~PARODD;        //偶校驗
        Opt.c_iflag |= INPCK;            //disable pairty checking
        break;
    case 's':
    case 'S':
        Opt.c_cflag &= ~PARENB;        //清除校驗位
        Opt.c_cflag &= ~CSTOPB;        //??????????????
        Opt.c_iflag |= INPCK;            //disable pairty checking
        break;
    default:
        fprintf(stderr, "Unsupported parity.\n");
        return FALSE;
    }

    switch(stopbits)        //設置停止位
    {
    case 1:
        Opt.c_cflag &= ~CSTOPB;
        break;
    case 2:
        Opt.c_cflag |= CSTOPB;
        break;
    default:
        fprintf(stderr, "Unsupported stopbits.\n");
        return FALSE;
    }

    opt.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD);

    opt.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);

    opt.c_oflag &= ~OPOST;
    opt.c_oflag &= ~(ONLCR | OCRNL);    //添加的

    opt.c_iflag &= ~(ICRNL | INLCR);
    opt.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY);    //添加的

    tcflush(fd, TCIFLUSH);
    Opt.c_cc[VTIME] = 0;        //設置超時爲15sec
    Opt.c_cc[VMIN] = 0;        //Update the Opt and do it now
    if(tcsetattr(fd, TCSANOW, &Opt) != 0)
    {
        perror("tcsetattr fd");
        return FALSE;
    }

    return TRUE;
}

5.某些設置項

在第四步中我們看到一些比較特殊的設置，下面簡述一下他們的作用。
c_cc數組的VSTART和VSTOP元素被設定成DC1和DC3，代表ASCII標準的XON和XOFF字符，如果在傳輸這兩個字符的時候就傳不過去，需要把軟件流控制屏蔽，即：
Opt.c_iflag &= ~ (IXON | IXOFF | IXANY);
有時候，在用write發送數據時沒有鍵入回車，信息就發送不出去，這主要是因爲我們在輸入輸出時是按照規範模式接收到回車或換行才發送，而更多情況下我們是不必鍵入回車或換行的。此時應轉換到行方式輸入，不經處理直接發送，設置如下：
Opt.c_lflag &= ~ (ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);
還存在這樣的情況：發送字符0X0d的時候，往往接收端得到的字符是0X0a，原因是因爲在串口設置中c_iflag和c_oflag中存在從NL-CR和CR-NL的映射，即串口能把回車和換行當成同一個字符，可以進行如下設置屏蔽之：
Opt.c_iflag &= ~ (INLCR | ICRNL | IGNCR);
Opt.c_oflag &= ~(ONLCR | OCRNL);

6.讀寫串口

發送數據方式如下，write函數將返回寫的位數或者當錯誤時爲-1。
char buffer[1024];
int length;
int nByte;
nByte = write(fd, buffer, length);
讀取數據方式如下，原始數據模式下每個read函數將返回實際串口收到的字符數，如果串口中沒有字符可用，回叫將會阻塞直到以下幾種情況：有字符進入；一個間隔計時器失效；錯誤發送。
在打開串口成功後，使用fcntl(fd, F_SETFL, FNDELAY)語句，可以使read函數立即返回而不阻塞。FNDELAY選項使read函數在串口無字符時立即返回且爲0。
char buffer[1024];
int length;
int readByte;
readByte = read(fd, buffer, len);
注意：設置爲原始模式傳輸數據的話，read函數返回的字符數是實際串口收到的字符數。Linux下直接用read讀串口可能會造成堵塞，或者數據讀出錯誤，此時可使用tcntl或者select等函數實現異步讀取。用select先查詢com口，再用read去讀就可以避免上述錯誤。

7.關閉串口

串口作爲文件來處理，所以一般的關閉文件函數即可：
close(fd);

8.例子

這個例子中，需要打開串口1，設置9600波特率、8位數據位、1位停止位以及空校驗，之後利用while語句循環判斷串口中是否可以讀出數據，將串口中數據連續讀出後重新寫回到串口中。
該程序可與minicom聯合測試。

#include     <stdio.h>
#include     <stdlib.h>
#include     <unistd.h>
#include     <sys/types.h>
#include     <sys/stat.h>
#include     <fcntl.h>
#include     <termios.h>
#include     <errno.h>

main()
{
    int fd;
    int i;
    int len;
    int n = 0;
    char read_buf[256];
    char write_buf[256];
    struct termios opt;

    fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR | O_NOCTTY);    //默認爲阻塞讀方式
    if(fd == -1)
    {
        perror("open serial 0\n");
        exit(0);
    }

    tcgetattr(fd, &opt);
    cfsetispeed(&opt, B9600);
    cfsetospeed(&opt, B9600);

    if(tcsetattr(fd, TCSANOW, &opt) != 0 )
    {
       perror("tcsetattr error");
       return -1;
    }

    opt.c_cflag &= ~CSIZE;
    opt.c_cflag |= CS8;
    opt.c_cflag &= ~CSTOPB;
    opt.c_cflag &= ~PARENB;
    opt.c_cflag &= ~INPCK;
    opt.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD);

    opt.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);

    opt.c_oflag &= ~OPOST;
    opt.c_oflag &= ~(ONLCR | OCRNL);    //添加的

    opt.c_iflag &= ~(ICRNL | INLCR);
    opt.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY);    //添加的

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

    tcflush(fd, TCIOFLUSH);

    printf("configure complete\n");

    if(tcsetattr(fd, TCSANOW, &opt) != 0)
    {
        perror("serial error");
        return -1;
    }
    printf("start send and receive data\n");

    while(1)
    {
        n = 0;
        len = 0;
        bzero(read_buf, sizeof(read_buf));    //類似於memset
        bzero(write_buf, sizeof(write_buf));

        while( (n = read(fd, read_buf, sizeof(read_buf))) > 0 )
        {
            for(i = len; i < (len + n); i++)
            {
                write_buf[i] = read_buf[i - len];
            }
            len += n;
        }
        write_buf[len] = '\0';

        printf("Len %d \n", len);
        printf("%s \n", write_buf);

        n = write(fd, write_buf, len);
        printf("write %d chars\n",n);

        sleep(2);
    }
}

9.附錄

c_cflag用於設置控制參數，除了波特率外還包含以下內容：
EXTA         External rate clock
EXTB         External rate clock
CSIZE         Bit mask for data bits
CS5         5個數據位
CS6         6個數據位
CS7         7個數據位
CS8         8個數據位
CSTOPB         2個停止位（清除該標誌表示1個停止位
PARENB         允許校驗位
PARODD         使用奇校驗（清除該標誌表示使用偶校驗）
CREAD         Enable receiver
HUPCL         Hangup (drop DTR) on last close
CLOCAL         Local line – do not change “owner” of port
LOBLK         Block job control outpu
c_cflag標誌可以定義CLOCAL和CREAD，這將確保該程序不被其他端口控制和信號干擾，同時串口驅動將讀取進入的數據。CLOCAL和CREAD通常總是被是能的。

c_lflag用於設置本地模式，決定串口驅動如何處理輸入字符，設置內容如下：
ISIG            Enable SIGINTR, SIGSUSP, SIGDSUSP, and SIGQUIT signals
ICANON         Enable canonical input (else raw)
XCASE         Map uppercase \lowercase (obsolete)
ECHO         Enable echoing of input characters
ECHOE         Echo erase character as BS-SP-BS
ECHOK         Echo NL after kill character
ECHONL         Echo NL
NOFLSH         Disable flushing of input buffers after interrupt or quit characters
IEXTEN         Enable extended functions
ECHOCTL         Echo control characters as ^char and delete as ~?
ECHOPRT         Echo erased character as character erased
ECHOKE         BS-SP-BS entire line on line kill
FLUSHO         Output being flushed
PENDIN         Retype pending input at next read or input char
TOSTOP         Send SIGTTOU for background output

c_iflag用於設置如何處理串口上接收到的數據，包含如下內容：
INPCK         Enable parity check
IGNPAR         Ignore parity errors
PARMRK      Mark parity errors
ISTRIP         Strip parity bits
IXON         Enable software flow control (outgoing)
IXOFF         Enable software flow control (incoming)
IXANY         Allow any character to start flow again
IGNBRK         Ignore break condition
BRKINT         Send a SIGINT when a break condition is detected
INLCR         Map NL to CR
IGNCR         Ignore CR
ICRNL         Map CR to NL
IUCLC         Map uppercase to lowercase
IMAXBEL      Echo BEL on input line too long

c_oflag用於設置如何處理輸出數據，包含如下內容：
OPOST         Postprocess output (not set = raw output)
OLCUC         Map lowercase to uppercase
ONLCR         Map NL to CR-NL
OCRNL         Map CR to NL
NOCR         No CR output at column 0
ONLRET      NL performs CR function
OFILL         Use fill characters for delay
OFDEL         Fill character is DEL
NLDLY         Mask for delay time needed between lines
NL0            No delay for NLs
NL1            Delay further output after newline for 100 milliseconds
CRDLY      Mask for delay time needed to return carriage to left column
CR0            No delay for CRs
CR1            Delay after CRs depending on current column position
CR2            Delay 100 milliseconds after sending CRs
CR3            Delay 150 milliseconds after sending CRs
TABDLY      Mask for delay time needed after TABs
TAB0            No delay for TABs
TAB1         Delay after TABs depending on current column position
TAB2         Delay 100 milliseconds after sending TABs
TAB3         Expand TAB characters to spaces
BSDLY      Mask for delay time needed after BSs
BS0         No delay for BSs
BS1         Delay 50 milliseconds after sending BSs
VTDLY      Mask for delay time needed after VTs
VT0         No delay for VTs
VT1         Delay 2 seconds after sending VTs
FFDLY      Mask for delay time needed after FFs
FF0         No delay for FFs
FF1         Delay 2 seconds after sending FFs

c_cc定義了控制字符，包含以下內容：
VINTR  Interrupt  CTRL-C
VQUIT  Quit    CTRL-Z
VERASE   Erase    Backspace (BS)
VKILL   Kill-line   CTRL-U
VEOF   End-of-file   CTRL-D
VEOL   End-of-line   Carriage return (CR)
VEOL2   Second    end-of-line Line feed (LF)
VMIN   Minimum number of characters to read
VSTART   Start flow   CTRL-Q (XON)
VSTOP   Stop flow   CTRL-S (XOFF)
VTIME   Time to wait for data (tenths of seconds)

注意：控制符VTIME和VMIN之間有複雜的關係。VTIME定義要求等待的時間（百毫米，通常是unsigned char變量），而VMIN定義了要求等待的最小字節數（相比之下，read函數的第三個參數指定了要求讀的最大字節數）。
如果VTIME=0，VMIN=要求等待讀取的最小字節數，read必須在讀取了VMIN個字節的數據或者收到一個信號纔會返回。
如果VTIME=時間量，VMIN=0，不管能否讀取到數據，read也要等待VTIME的時間量。
如果VTIME=時間量，VMIN=要求等待讀取的最小字節數，那麼將從read讀取第一個字節的數據時開始計時，並會在讀取到VMIN個字節或者VTIME時間後返回。

如果VTIME=0，VMIN=0，不管能否讀取到數據，read都會立即返回。

轉載自：http://www.cnblogs.com/lovemo1314/archive/2010/10/29/1864327.html

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