嵌入式Linux串口應用編程之串口配置

串口的設置主要是設置struct termios結構體的各成員值，如下所示：

    ＃include<termios.h>
    struct termios
    {
        unsigned short c_iflag; /* 輸入模式標誌 */
        unsigned short c_oflag; /* 輸出模式標誌 */
        unsigned short c_cflag; /* 控制模式標誌 */
        unsigned short c_lflag; /* 本地模式標誌 */
        unsigned char c_line; /* 線路規程 */
        unsigned char c_cc[NCC]; /* 控制特性 */
        speed_t c_ispeed; /* 輸入速度 */
        speed_t c_ospeed; /* 輸出速度 */
    };

termios是在Posix規範中定義的標準接口，表示終端設備（包括虛擬終端、串口等）。因爲串口是一種終端設備，所以通過終端編程接口對其進行配置和控制。因此在具體討論串口相關編程之前，需要先了解一下終端的相關知識。

終端是指用戶與計算機進行對話的接口，如鍵盤、顯示器和串口設備等物理設備，X Window上的虛擬終端。類UNIX操作系統都有文本式虛擬終端，使用【Ctrl+Alt】+F1~F6鍵可以進入文本式虛擬終端，在X Window上可以打開幾十個以上的圖形式虛擬終端。類UNIX操作系統的虛擬終端有xterm、rxvt、zterm、eterm等，而Windows上有crt、putty等虛擬終端。

終端有三種工作模式，分別爲規範模式（canonical mode）、非規範模式（non-canonical mode）和原始模式（raw mode）。

通過在termios結構的c_lflag中設置ICANNON標誌來定義終端是以規範模式（設置ICANNON標誌）還是以非規範模式（清除ICANNON標誌）工作，默認情況爲規範模式。

在規範模式下，所有的輸入是基於行進行處理的。在用戶輸入一個行結束符（回車符、EOF等）之前，系統調用read()函數是讀不到用戶輸入的任何字符的。除了EOF之外的行結束符（回車符等）與普通字符一樣會被read()函數讀取到緩衝區中。在規範模式中，行編輯是可行的，而且一次調用read()函數最多隻能讀取一行數據。如果在read()函數中被請求讀取的數據字節數小於當前行可讀取的字節數，則read()函數只會讀取被請求的字節數，剩下的字節下次再被讀取。

在非規範模式下，所有的輸入是即時有效的，不需要用戶另外輸入行結束符，而且不可進行行編輯。在非規範模式下，對參數MIN(c_cc[VMIN])和TIME(c_cc[VTIME])的設置決定read()函數的調用方式。設置可以有4種不同的情況。

    ● MIN = 0和TIME = 0：read()函數立即返回。若有可讀數據，則讀取數據並返回被讀取的字節數，否則讀取失敗並返回0。
    ● MIN > 0和TIME = 0：read()函數會被阻塞，直到MIN個字節數據可被讀取。
    ● MIN = 0和TIME > 0：只要有數據可讀或者經過TIME個十分之一秒的時間，read()函數則立即返回，返回值爲被讀取的字節數。如果超時並且未讀到數據，則read()函數返回0。
    ● MIN > 0和TIME > 0：當有MIN個字節可讀或者兩個輸入字符之間的時間間隔超過TIME個十分之一秒時，read()函數才返回。因爲在輸入第一個字符後系統纔會啓動定時器，所以，在這種情況下，read()函數至少讀取一個字節後才返回。

按照嚴格意義來講，原始模式是一種特殊的非規範模式。在原始模式下，所有的輸入數據以字節爲單位被處理。在這個模式下，終端是不可回顯的，而且所有特定的終端輸入/輸出控制處理不可用。通過調用cfmakeraw()函數可以將終端設置爲原始模式，而且該函數通過以下代碼可以得到實現：

現在講解設置串口的基本方法。如上所述，串口設置最基本的操作包括波特率設置，校驗位和停止位設置。在這個結構中最爲重要的是c_cflag，通過對它的賦值，用戶可以設置波特率、字符大小、數據位、停止位、奇偶校驗位和硬軟流控等。另外，c_iflag和c_cc也是比較常用的標誌。在此主要對這3個成員進行詳細說明。c_cflag支持的常量名稱如表2.11所示。其中設置波特率宏名爲相應的波特率數值前加上B，由於數值較多，本表沒有全部列出。

表2.11 c_cflag支持的常量名稱

CBAUD	波特率的位掩碼
B0	0波特率（放棄DTR）
…	…

續表

CBAUD	波特率的位掩碼
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	外部時鐘率
EXTB	外部時鐘率
CSIZE	數據位的位掩碼
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（不設則是1個停止位）
CREAD	接收使能
PARENB PARODD	校驗位使能使用奇校驗而不使用偶校驗
HUPCL	最後關閉時掛線（放棄DTR）
CLOCAL	本地連接（不改變端口所有者）
CRTSCTS	硬件流控

在這裏，對於c_cflag成員不能直接對其初始化，而要將其通過“與”、“或”操作使用其中的某些選項。

輸入模式標誌c_iflag用於控制端口接收端的字符輸入處理。c_iflag支持的常量名稱，如表2.12所示。

表2.12 c_iflag支持的常量名稱

INPCK	奇偶校驗使能
IGNPAR	忽略奇偶校驗錯誤
PARMRK	奇偶校驗錯誤掩碼
ISTRIP	裁減掉第8位比特
IXON	啓動輸出軟件流控
IXOFF	啓動輸入軟件流控

續表

INPCK	奇偶校驗使能
IXANY	允許輸入任意字符可以重新啓動輸出（默認爲輸入起始字符才重啓輸出）
IGNBRK	忽略輸入終止條件
BRKINT	當檢測到輸入終止條件時發送SIGINT信號
INLCR	將接收到的NL（換行符）轉換爲CR（回車符）
IGNCR	忽略接收到的CR（回車符）
ICRNL	將接收到的CR（回車符）轉換爲NL（換行符）
IUCLC	將接收到的大寫字符映射爲小寫字符
IMAXBEL	當輸入隊列滿時響鈴

c_oflag用於控制終端端口發送出去的字符處理，c_oflag支持的常量名稱如表2.13所示。因爲現在終端的速度比以前快得多，所以大部分延時掩碼幾乎沒什麼用途。

表2.13 c_oflag支持的常量名稱

OPOST	啓用輸出處理功能，如果不設置該標誌則其他標誌都被忽略
OLCUC	將輸出中的大寫字符轉換成小寫字符
ONLCR	將輸出中的換行符（'\n'）轉換成回車符（'\r'）
ONOCR	如果當前列號爲0，則不輸出回車符
OCRNL	將輸出中的回車符（'\r'）轉換成換行符（'\n'）
ONLRET	不輸出回車符
OFILL	發送填充字符以提供延時
OFDEL	如果設置該標誌，則表示填充字符爲DEL字符，否則爲NUL字符
NLDLY	換行符延時掩碼
CRDLY	回車符延時掩碼
TABDLY	製表符延時掩碼
BSDLY	水平退格符延時掩碼
VTDLY	垂直退格符延時掩碼
FFLDY	換頁符延時掩碼

c_lflag用於控制終端的本地數據處理和工作模式，c_lflag所支持的常量名稱如表2.14所示。

表2.14 c_lflag支持的常量名稱

ISIG	若收到信號字符（INTR、QUIT等），則會產生相應的信號
ICANON	啓用規範模式
ECHO	啓用本地回顯功能
ECHOE	若設置ICANON，則允許退格操作

續表

ECHOK	若設置ICANON，則KILL字符會刪除當前行
ECHONL	若設置ICANON，則允許回顯換行符
ECHOCTL	若設置ECHO，則控制字符（製表符、換行符等）會顯示成“^X”，其中X的ASCII碼等於給相應控制字符的ASCII碼加上0x40。例如，退格字符（0x08）會顯示爲“^H”（'H'的ASCII碼爲0x48）
ECHOPRT	若設置ICANON和IECHO，則刪除字符（退格符等）和被刪除的字符都會被顯示
ECHOKE	若設置ICANON，則允許回顯在ECHOE和ECHOPRT中設定的KILL字符
NOFLSH	在通常情況下，當接收到INTR、QUIT和SUSP控制字符時，會清空輸入和輸出隊列。如果設置該標誌，則所有的隊列不會被清空
TOSTOP	若一個後臺進程試圖向它的控制終端進行寫操作，則系統向該後臺進程的進程組發送SIGTTOU信號。該信號通常終止進程的執行
IEXTEN	啓用輸入處理功能

c_cc定義特殊控制特性，c_cc所支持的常量名稱如表2.15所示。

表2.15 c_cc支持的常量名稱

VINTR	中斷控制字符，對應鍵爲Ctrl+C
VQUIT	退出操作符，對應鍵爲Ctrl+Z
VERASE	刪除操作符，對應鍵爲Backspace（BS）
VKILL	刪除行符，對應鍵爲Ctrl+U
VEOF	文件結尾符，對應鍵爲Ctrl+D
VEOL	附加行結尾符，對應鍵爲Carriage return（CR）
VEOL2	第二行結尾符，對應鍵爲Line feed（LF）
VMIN	指定最少讀取的字符數
VTIME	指定讀取的每個字符之間的超時時間

下面就詳細講解設置串口屬性的基本流程。

1．保存原先串口配置

首先，爲了安全起見和以後調試程序方便，可以先保存原先串口的配置，在這裏可以使用函數tcgetattr(fd, &old_cfg)。該函數得到由fd指向的終端的配置參數，並將它們保存於termios結構變量old_cfg中。該函數還可以測試配置是否正確、該串口是否可用等。若調用成功，函數返回值爲0，若調用失敗，函數返回值爲-1，其使用如下所示：

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

2．激活選項

CLOCAL和CREAD分別用於本地連接和接收使能，因此，首先要通過位掩碼的方式激活這兩個選項。

newtio.c_cflag |= CLOCAL | CREAD;

調用cfmakeraw()函數可以將終端設置爲原始模式，在後面的實例中，採用原始模式進行串口數據通信。

cfmakeraw(&new_cfg);

3．設置波特率

設置波特率有專門的函數，用戶不能直接通過位掩碼來操作。設置波特率的主要函數有cfsetispeed()和cfsetospeed()。這兩個函數的使用很簡單，如下所示：

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

cfsetispeed()函數在termios結構中設置數據輸入波特率，而cfsetospeed()函數在termios結構中設置數據輸入波特率。一般來說，用戶需將終端的輸入和輸出波特率設置成一樣的。這幾個函數在成功時返回0，失敗時返回-1。

4．設置字符大小

與設置波特率不同，設置字符大小並沒有現成可用的函數，需要用位掩碼。一般首先去除數據位中的位掩碼，再重新按要求設置，如下所示：

new_cfg.c_cflag &= ~CSIZE; /* 用數據位掩碼清空數據位設置 */
new_cfg.c_cflag |= CS8;

5．設置奇偶校驗位

設置奇偶校驗位需要用到termios中的兩個成員：c_cflag和c_iflag。首先要激活c_cflag中的校驗位使能標誌PARENB和確認是否要進行校驗，這樣會對輸出數據產生校驗位，而對輸入數據進行校驗檢查。同時還要激活c_iflag中的對於輸入數據的奇偶校驗使能（INPCK）。如使能奇校驗時，代碼如下所示：

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

而使能偶校驗時，代碼如下所示：

    new_cfg.c_cflag |= PARENB;
    new_cfg.c_cflag &= ~PARODD; /* 清除偶奇校驗標誌，則配置爲偶校驗 */
    new_cfg.c_iflag |= INPCK;

6．設置停止位

設置停止位是通過激活c_cflag中的CSTOPB而實現的。若停止位爲一個比特，則清除CSTOPB；若停止位爲兩個，則激活CSTOPB。以下分別是停止位爲一個和兩個比特時的代碼：

new_cfg.c_cflag &= ~CSTOPB; /* 將停止位設置爲一個比特 */
new_cfg.c_cflag |= CSTOPB; /* 將停止位設置爲兩個比特 */

7．設置最少字符和等待時間

在對接收字符和等待時間沒有特別要求的情況下，可以將其設置爲0，則在任何情況下read()函數立即返回，此時串口操作會設置爲非阻塞方式，如下所示：

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

8．清除串口緩衝

由於串口在重新設置後，需要對當前的串口設備進行適當的處理，這時就可調用在<termios.h>中聲明的tcdrain()、tcflow()、tcflush()等函數來處理目前串口緩衝中的數據，它們的格式如下所示：

    int tcdrain(int fd); /* 使程序阻塞，直到輸出緩衝區的數據全部發送完畢 */
    int tcflow(int fd, int action); /* 用於暫停或重新開始輸出 */
    int tcflush(int fd, int queue_selector); /* 用於清空輸入/輸出緩衝區 */

在本實例中使用tcflush()函數，對於在緩衝區中尚未傳輸的數據，或者收到的但是尚未讀取的數據，其處理方法取決於queue_selector的值，它可能的取值有以下幾種。

    ● TCIFLUSH：對接收到而未被讀取的數據進行清空處理。
    ● TCOFLUSH：對尚未傳送成功的輸出數據進行清空處理。
    ● TCIOFLUSH：包括前兩種功能，即對尚未處理的輸入/輸出數據進行清空處理。

如在本例中所採用的是第一種方法，當然可以使用TCIOFLUSH參數：

tcflush(fd, TCIFLUSH);

9．激活配置

在完成全部串口配置後，要激活剛纔的配置並使配置生效。這裏用到的函數是tcsetattr()，它的函數原型是：

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

其中，參數termios_p是termios類型的新配置變量。

參數optional_actions可能的取值有以下3種。

    ● TCSANOW：配置的修改立即生效。
    ● TCSADRAIN：配置的修改在所有寫入fd的輸出都傳輸完畢之後生效。
    ● TCSAFLUSH：所有已接收但未讀入的輸入都將在修改生效之前被丟棄。

該函數若調用成功則返回0，若失敗則返回-1，代碼如下所示：

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

下面給出了串口配置的完整函數。爲了函數的通用性，通常將常用的選項都在函數中列出，這樣可以大大方便以後用戶的調試使用。該設置函數如下所示：

    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;

        /* 保存並測試現有串口參數設置，在這裏如果串口號等出錯，會有相關的出錯信息 */
        if (tcgetattr(fd, &old_cfg) != 0)
        {
            perror("tcgetattr");
            return -1;
        }
        new_cfg = old_cfg;
        cfmakeraw(&new_cfg); /* 配置爲原始模式 */
        new_cfg.c_cflag &= ~CSIZE;
        /* 設置波特率 */
        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) /* 設置數據位 */
        {
            case 7:
            {
                new_cfg.c_cflag |= CS7;
            }
            break;

            default:
            case 8:
            {
                new_cfg.c_cflag |= CS8
;             }
            break;
        }

        switch (parity) /* 設置奇偶校驗位 */
        {
            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) /* 設置停止位 */
        {
            default:
            case 1:
            {
                new_cfg.c_cflag &= ~CSTOPB;
            }
            break;

            case 2:
            {
                new_cfg.c_cflag |= CSTOPB;
            }
        }

        /* 設置等待時間和最小接收字符 */
        new_cfg.c_cc[VTIME] = 0;
        new_cfg.c_cc[VMIN] = 1;
        tcflush(fd, TCIFLUSH); /* 處理未接收字符 */
        if ((tcsetattr(fd, TCSANOW, &new_cfg)) != 0) /* 激活新配置 */
        {
            perror("tcsetattr");
            return -1;
        }
        return 0;
    }