Linux串口编程详解(阻塞模式、非阻塞模式、select函数)
之前一直觉得串口编程很简单，这两天仔细研究后发现串口里的各种参数还挺复杂，稍不注意就容易出错，这里总结一下网上的各种文章及自己的理解与实践。
open 函数
功能描述：用于打开或创建文件，成功则返回文件描述符，否则返回-1，open返回的文件描述符一定是最小的未被使用的描述符
#include
int open（const char * pathname，int flags）;
int open（const char * pathname，int flags，mode_t mode）; 参数flags：一些文件模式选择，有如下几个参数可以设置
- O_RDONLY 只读模式
- O_WRONLY 只写模式
- O_RDWR 读写模式
上面三个参数在设置的时候必须选择其中一个！下面的参数是可选的
- O_APPEND 每次写操作都写入文件的末尾
- O_CREAT 如果指定文件不存在，则创建这个文件
- O_EXCL 如果要创建的文件已存在，则返回 -1，并且修改 errno 的值
- O_TRUNC 如果文件存在，并且以只写/读写方式打开，则清空文件全部内容
- O_NOCTTY 如果路径名指向终端设备，不要把这个设备用作控制终端
- O_NONBLOCK 如果路径名指向 FIFO/块文件/字符文件，则把文件的打开和后继 I/O设置为非阻塞模式
- O_NDELAY 表示用于设置非阻塞方式。同时通知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）。如果用户没有指定这个标志，则进程将会一直处在睡眠状态，直到DCD信号线被激活。
下面三个常量同样是选用的，他们用于同步输入输出
- O_DSYNC 等待物理 I/O 结束后再 write。在不影响读取新写入的数据的前提下，不等待文件属性更新
- O_RSYNC read等待所有写入同一区域的写操作完成后再进行
- O_SYNC 等待物理 I/O 结束后再 write，包括更新文件属性的 I/O
对于串口的打开操作，必须使用O_NOCTTY参数，它表示打开的是一个终端设备，程序不会成为该端口的控制终端。如果不使用此标志，任务的一个输入(比如键盘终止信号等)都会影响进程。
open函数第三个参数mode为可选参数，表示打开文件权限
fcntl 函数
功能描述：根据文件描述词来操作文件的特性，返回-1代表出错
#include
#include
int fcntl(int fd,int cmd);
int fcntl(int fd,int cmd,long arg);
int fcntl(int fd,int cmd,struct flock *lock); fcntl()函数主要有5种功能：
- 复制一个现有的描述符(cmd=F_DUPFD/F_DUPFD_CLOEXEC)
- 获得／设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD/F_SETFD)
- 获得／设置文件状态标记(cmd=F_GETFL/F_SETFL) #常用
- 获得／设置异步I/O所有权(cmd=F_GETOWN/F_SETOWN)
- 获得／设置记录锁(cmd=F_GETLK/F_SETLK/F_SETLKW) #常用
F_SETFL ：设置文件状态标志。
其中O_RDONLY， O_WRONLY， O_RDWR， O_CREAT， O_EXCL， O_NOCTTY 和 O_TRUNC不受影响，
能更改的标志有 O_APPEND，O_ASYNC， O_DIRECT， O_NOATIME 和 O_NONBLOCK。
此函数功能强大，在此不做详细叙述！
串口参数初始化
串口参数由结构体termio设置：
struct termio
{
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; /* local mode flags */
unsigned char c_line; /* line discipline */
unsigned char c_cc[NCC]; /* control characters */
};具体参见：http://kevinlad.me/2017/11/25/Termios%E7%BB%93%E6%9E%84%E4%BD%93/
这里列出常见配置：
int set_port_attr(int fd,int baudrate, int databit, const char *stopbit, char parity, int vtime,int vmin )
{
struct termios opt;
tcgetattr(fd, &opt); //获取初始设置
set_baudrate(&opt, baudrate);
set_data_bit(&opt, databit);
set_parity(&opt, parity);
set_stopbit(&opt, stopbit);
opt.c_cflag &= ~CRTSCTS; // 不使用硬件流控制
opt.c_cflag |= CLOCAL | CREAD; //CLOCAL--忽略 modem 控制线,本地连线, 不具数据机控制功能, CREAD--使能接收标志
/*
IXON--启用输出的 XON/XOFF 流控制
IXOFF--启用输入的 XON/XOFF 流控制
IXANY--允许任何字符来重新开始输出
IGNCR--忽略输入中的回车
*/
opt.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY);
opt.c_oflag &= ~OPOST; //启用输出处理
/*
ICANON--启用标准模式 (canonical mode)。允许使用特殊字符 EOF, EOL,
EOL2, ERASE, KILL, LNEXT, REPRINT, STATUS, 和 WERASE，以及按行的缓冲。
ECHO--回显输入字符
ECHOE--如果同时设置了 ICANON，字符 ERASE 擦除前一个输入字符，WERASE 擦除前一个词
ISIG--当接受到字符 INTR, QUIT, SUSP, 或 DSUSP 时，产生相应的信号
*/
opt.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);
opt.c_cc[VMIN] = vmin; //设置非规范模式下的超时时长和最小字符数：阻塞模式起作用
opt.c_cc[VTIME] = vtime; //VTIME与VMIN配合使用，是指限定的传输或等待的最长时间 单位：0.1S
tcflush (fd, TCIFLUSH); /* TCIFLUSH-- update the options and do it NOW */
return (tcsetattr (fd, TCSANOW, &opt)); /* TCSANOW--改变立即发生 */
}
static void set_baudrate(struct termios *opt, unsigned int baudrate)
{
cfsetispeed(opt, baudrate);
cfsetospeed(opt, baudrate);
}
static void set_stopbit(struct termios *opt, const char *stopbit)
{
if (0 == strcmp (stopbit, "1")) {
opt->c_cflag &= ~CSTOPB; /* 1位停止位t */
}else if (0 == strcmp (stopbit, "1.5")) {
opt->c_cflag &= ~CSTOPB; /* 1.5位停止位 */
}else if (0 == strcmp (stopbit, "2")) {
opt->c_cflag |= CSTOPB; /* 2 位停止位 */
}else {
opt->c_cflag &= ~CSTOPB; /* 1 位停止位 */
}
}
static void set_data_bit(struct termios *opt, unsigned int databit)
{
opt->c_cflag &= ~CSIZE;
switch (databit) {
case 8:
opt->c_cflag |= CS8;
break;
case 7:
opt->c_cflag |= CS7;
break;
case 6:
opt->c_cflag |= CS6;
break;
case 5:
opt->c_cflag |= CS5;
break;
default:
opt->c_cflag |= CS8;
break;
}
}
static void set_parity(struct termios *opt, char parity)
{
switch (parity) {
case 'N': /* 无校验 */
case 'n':
opt->c_cflag &= ~PARENB;
break;
case 'E': /* 偶校验 */
case 'e':
opt->c_cflag |= PARENB;
opt->c_cflag &= ~PARODD;
break;
case 'O': /* 奇校验 */
case 'o':
opt->c_cflag |= PARENB;
opt->c_cflag |= ~PARODD;
break;
case 'S':
case 's':
opt->c_cflag &= ~PARENB; /*清除校验位 disable pairty checking Space校验 */
opt->c_cflag &= ~CSTOPB;
opt->c_iflag |= INPCK;
break;
default: /* 其它选择为无校验 */
opt->c_cflag &= ~PARENB;
break;
}
}阻塞式读写配置
打开时使用：
fd = open(USAR1, O_RDWR | O_NOCTTY );//阻塞式读写
打开后使用fcntl函数修改：
fcntl(fd, F_SETFL, 0)； //设为阻塞阻塞式读写可设置以下两参数：
opt.c_cc[VMIN] = vmin; //设置非规范模式下的超时时长和最小字符数：阻塞模式起作用
opt.c_cc[VTIME] = vtime; //VTIME与VMIN配合使用，是指限定的传输或等待的最长时间若 VMIN = 0 ，VTIME = 0 ，函数read未读到任何参数也立即返回，相当于非阻塞模式；
若 VMIN = 0, VTIME > 0 ，函数read读取到数据立即返回，若无数据则等待VTIME时间返回；
若 VMIN > 0, VTIME = 0 ，函数read()只有在读取到VMIN个字节的数据或者收到一个信号的时候才返回；
若 VMIN > 0, VTIME > 0 ，从read读取第一个字节的数据时开始计时，并会在读取到VMIN个字节或者VTIME时间后返回。
非阻塞式读写配置
打开时使用
open(USAR1, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY );//非阻塞式读写
open(USAR1, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NONBLOCK);//非阻塞式读写
open(USAR1, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY | O_NONBLOCK);//非阻塞式读写
打开后使用fcntl修改设置
fcntl(socket_descriptor, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK)； //设为非阻塞 O_NONBLOCK和O_NDELAY都是设置为非阻塞模式，但是它们有些差别，O_NDELAY会使I/O函式马上返回0，但是又衍生出一个问题，因为读取到档案结尾时所回传的也是0，这样无法得知是哪中情况；而O_NONBLOCK它在读取不到数据时会回传-1，并且设置errno为EAGAIN。
select函数读写
int select(int nfds, fd_set *rdfds, fd_set *wtfds, fd_set *exfds, struct timeval *timeout)- ndfs：select监视的文件句柄，一般设为要监视的文件中的最大文件号加一；
- rdfds：select监视的可读文件句柄集合，当rdfds映象的文件句柄状态变成可读时系统告诉select函数返回。这个集合中有一个文件可读，select就会返回一个大于0的值，表示有文件可读，如果没有可读的文件，则根据timeout参数再判断是否超时，若超出timeout的时间，select返回0，若发生错误返回负值，可以传入NULL值，表示不关心任何文件的读变化；
- wtfds: select监视的可写文件句柄集合，当wtfds映象的文件句柄状态变成可写时系统告诉select函数返回，如果这个集合中有一个文件可写，select就会返回一个大于0的值，表示有文件可写，如果没有可写的文件，则根据timeout参数再判断是否超时，若超出timeout的时间，select返回0，若发生错误返回负值，可以传入NULL值，表示不关心任何文件的写变化；
- exfds：select监视的异常文件句柄集合，当exfds映象的文件句柄上有特殊情况发生时系统会告诉select函数返回；
- timeout：select的超时结束时间，设为0则为阻塞模式，设为大于0的值时若所监视的句柄无状态变化则等待timeout时间后返回0；
配置函数：
FD_ZERO(fd_set *fdset)：清空fdset与所有文件句柄的联系。
FD_SET(int fd, fd_set *fdset)：建立文件句柄fd与fdset的联系。
FD_CLR(int fd, fd_set *fdset)：清除文件句柄fd与fdset的联系。
FD_ISSET(int fd, fdset *fdset)：检查fdset联系的文件句柄fd是否可读写，>0表示可读写。
select函数非常强大,它能同时监测多个对象，只要在注册的对象集中有一个或多个对象被激活就会有反应，所以利用select函数能在一个线程中处理多个等待式操作，这里以多串口阻塞读取为例：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define USAR1 "/dev/ttyS1"
#define USAR2 "/dev/ttyS2"
#define USAR3 "/dev/ttyS3"
#define USAR4 "/dev/ttyS4"
char buf[255] = {0};
int set_port_attr (int fd,int baudrate, int databit, const char *stopbit, char parity, int vtime,int vmin );
static void set_baudrate (struct termios *opt, unsigned int baudrate);
static void set_data_bit (struct termios *opt, unsigned int databit);
static void set_stopbit (struct termios *opt, const char *stopbit);
static void set_parity (struct termios *opt, char parity);
void main()
{
int fd1,fd2,fd3,fd4;
int ret;
int rxlen = 0;
fd_set rfds;
struct timeval tv;
int retval;
fd1 = open(USAR1, O_RDWR | O_NOCTTY );//阻塞式读写 非阻塞| O_NDELAY | O_NONBLOCK
if (fd1 < 0)
{
perror("open uart1 error\n");
}
fd2 = open(USAR2, O_RDWR | O_NOCTTY );//阻塞式读写 非阻塞| O_NDELAY | O_NONBLOCK
if (fd2 < 0)
{
perror("open uart2 error\n");
}
fd3 = open(USAR3, O_RDWR | O_NOCTTY );//阻塞式读写 非阻塞| O_NDELAY | O_NONBLOCK
if (fd3 < 0)
{
perror("open uart3 error\n");
}
fd4 = open(USAR4, O_RDWR | O_NOCTTY );//阻塞式读写 非阻塞| O_NDELAY | O_NONBLOCK
if (fd4 < 0)
{
perror("open uart4 error\n");
}
ret = set_port_attr(fd1, B115200, 8, "1", 'N',1,255 ); /* 115200 8n1 */
if(ret < 0)
{
printf("set uart1 arrt faile \n");
exit(-1);
}
ret = set_port_attr(fd2, B115200, 8, "1", 'N',1,255 ); /* 115200 8n1 */
if(ret < 0)
{
printf("set uart2 arrt faile \n");
exit(-1);
}
ret = set_port_attr(fd3, B115200, 8, "1", 'N',1,255 ); /* 115200 8n1 */
if(ret < 0)
{
printf("set uart3 arrt faile \n");
exit(-1);
}
ret = set_port_attr(fd4, B115200, 8, "1", 'N',1,255 ); /* 115200 8n1 */
if(ret < 0)
{
printf("set uart4 arrt faile \n");
exit(-1);
}
while(1)
{
FD_ZERO(&rfds);
FD_SET(fd1, &rfds);
FD_SET(fd2, &rfds);
FD_SET(fd3, &rfds);
FD_SET(fd4, &rfds);
// tv.tv_sec = 1; //in block mode is not used
// tv.tv_usec = 0;
ret = select(fd4 + 1, &rfds, NULL, NULL, NULL); //block mode
if(ret > 0)
{
if(FD_ISSET(fd1,&rfds))
{
rxlen = read(fd1, buf, 255);
if(rxlen > 0)
{
printf("len = %d\n\r",rxlen);
printf("rx:%s\n\r",buf);
write(fd1, buf, rxlen);
}
}
if(FD_ISSET(fd2,&rfds))
{
rxlen = read(fd2, buf, 255);
if(rxlen > 0)
{
printf("len = %d\n\r",rxlen);
printf("rx:%s\n\r",buf);
write(fd2, buf, rxlen);
}
}
if(FD_ISSET(fd3,&rfds))
{
rxlen = read(fd3, buf, 255);
if(rxlen > 0)
{
printf("len = %d\n\r",rxlen);
printf("rx:%s\n\r",buf);
write(fd3, buf, rxlen);
}
}
if(FD_ISSET(fd4,&rfds))
{
rxlen = read(fd4, buf, 255);
if(rxlen > 0)
{
printf("len = %d\n\r",rxlen);
printf("rx:%s\n\r",buf);
write(fd4, buf, rxlen);
}
}
}
}
}
此段程序为同时监控4路串口接收状态，将接受的内容直接原路返回，串口采用的是阻塞读取模式，select函数也采用阻塞式读取模式。