Linux Serial Programming HOWTO

v1.0, 22 一月 1998

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本文件将叙述如何在 Linux 环境下撰写序列埠的通讯程式.

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1. 简介

本文是 Linux 序列埠程式撰写的 HOWTO. 全篇都在讨论如何在 Linux 环境下, 以序列埠与其他装置/电脑通讯的程式写法. 所解释的技术包含: 标准的 I/O (只具备传送/接收线的), 非同步 I/O, 及等待来自多信号源的输入讯号的写法.

本文不会叙述如何设定序列埠, 因为这在 Greg Hankins 的 Serial-HOWTO 已经有说明了.

我必需强调我并非此领域中的专家, 而是在专案中曾遇到过这类的通讯问题. 在这所提到的□例程式是衍生自 miniterm 的程式码. 可在 LDP 程式设计师指南取得 (ftp://sunsite.unc.edu/pub/Linux/docs/LDP/programmers-guide/lpg-0.4.tar.gz 及其他映射站) 在□例那个目录下.

我开始写这份文件是在 1997 年六月, 现在我已经移转到 WinNT 以满足客户的需求, 以致於我没能学得更深入的知识. 如果任何人有什麽意见, 我很乐意把它摆进这份文件中 (参考回馈那一节). 如果有人能接手这份工作并加以改进, 请 e-mail 给我.

所有的□例都在 i386 Linux Kernel 2.0.29 下测试过.

1.1 版权

所有有关的翻译, 衍生的工作, 或整合合并任何 Linux HOWTO 文件皆必须在此版权宣告规□之下. 也就是, 你不可以自 HOWTO 所衍生的工作中, 散布的文件上附加额外的限制条款. 除了这些规则之外皆可在某种条件的授与; 请联络 Linux HOWTO 协调员: 如以下所给的位址.

简而言之, 我们希望尽可能得透过各种管道促进这份资讯的流通, 不过, 我强烈的希望将版权宣告置於 HOWTO 的文件上, 任何想重新散布 HOWTO 的人, 均希望您能知会我们一下.

如果你有问题, 请经由 email 与 Tim Bynum, Linux HOWTO 协调员连络, [email protected].

1.2 本文最新的版本

Serial-Programming-HOWTO 最新的版本将放在

ftp://sunsite.unc.edu:/pub/Linux/docs/HOWTO/Serial-Programming-HOWTO 及其他映设站台. 有许多的格式, 如 PostScript 及 DVI 的版本放在 other-formats 目录下. Serial-Programming-HOWTO 也放在 http://sunsite.unc.edu/LDP/HOWTO/Serial-Programming-HOWTO.html 并会每个月摆一份到 comp.os.linux.answers.

1.3 回馈

请把任何修正, 问题, 意见, 建议, 或其它附加的题材传送给我. 以让我改进这份 HOWTO! 并详细告诉我哪个部份是您不能了解, 或不够清楚的. 你可以用 email 连络我 [email protected]. 请把 Serial-Programming-HOWTO 的版本号码附上, 本文版本号码是 0.3.

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2. 开始

2.1 侦错

最好的侦错你程式码的方法是建构另一台 Linux box, 并把两台电脑用 null-modem 缆线连接. 用 miniterm (可在 LDP 程式设计师指南取得 (ftp://sunsite.unc.edu/pub/Linux/docs/LDP/programmers-guide/lpg-0.4.tar.gz 在□例那个目录下) 以传送字元到你的 Linux box. Miniterm 很容易编译而它会把所有输入到键盘的字元透过序列埠传送. 只有这个宣告定义会被检查 #define MODEMDEVICE "/dev/ttyS0". 如果是 COM1 设定为 ttyS0, 如果是 COM2 设定为 ttyS1 等等.. 先前的测试是必要的, 所有的字元都将以 raw 方式 (不经任何处理) 直接传送. 测试是否连接正确, 在两台电脑上都启动 miniterm 然後随便在键盘上乱按. 在其中一台上输入的字元应该会显示在另一台电脑上反之亦同. 但输入的字元不会回应到与之相连的萤幕上.

要自制 null-modem 的电缆, 你必需要把 TxD (传送) 及 RxD (接收) 两线对调. 详细的说明在 Serial-HOWTO 的第 7 段.

当然也可以只用一台电脑来作相同的测试, 只要电脑上有两个未使用的序列埠. 当然你也就要执行两个 miniterm 来当虚拟控制台. 如果你是藉由拔去滑鼠来取得另一个序列埠, 记得要把 /dev/mouse 装置重新导向, 如果它存在的话. 如果你使用多埠的序列埠控制卡, 请确定它已设定正确. 当我在我的电脑上测试时也曾经因为设定错误而出过槌. 当我连到另一台电脑, 通讯埠开始传送字元. 就因为刚好这不是完整的非同步式传输, 所以可在同一台电脑上执行两个程式.

2.2 连接埠设定

/dev/ttyS* 装置会被当成连接到你的 Linux box 的终端机, 并且在启动後就设定好了. 这个观念在你写 raw 装置的通讯程式时必需记住. 也就是说这个连接埠被设定为回应所有自这个装置送出的字元, 而用在资料传输时通常这种要改变这种工作模式.

所有的参数可以由一个小程式简单的完成. 设定参数被放在一个结构体内 struct termios, 他的定义档在 :

#define NCCS 19

struct termios {

tcflag_t c_iflag; /* 输入模式旗标 */

tcflag_t c_oflag; /* 输出模式旗标 */

tcflag_t c_cflag; /* 控制模式旗标 */

tcflag_t c_lflag; /* 区域模式旗标 */

cc_t c_line; /* 行控制 (line discipline) */

cc_t c_cc[NCCS]; /* 控制特性 */

};

这个档案也包含所有的旗标定义. 输入模式旗标在 c_iflag 掌管所有的输入处理, 这就意谓著由装置上传来的字元在还没用 read 功能读取前可以先处理过. 同理 c_oflag 掌管所有的输出处理. c_cflag 包含连接埠的设定, 如鲍率, 每字元多少位元, 停止位元, 等等.. 区域模式旗标放在 c_lflag 用来侦测字元是否回应, 而讯号会送到你的程式, 等等.. 最後 c_cc 阵列定义了档案终了的控制字元, 停止, 等等.. 预设的控制字元值放在 . 有关旗标的细节摆在使用手册 termios(3). termios 结构体内的 c_line 行控制 (line discipline) 元素, 不能在 POSIX 相容的系统下使用译者注:这里所说的 line discipline 虽然我翻成行控制但还是很难说出那是舍. 如果想知道请看看 kernel :( .

2.3 序列装置的输入观念

有三个输入的观念要说明. 按照所要写的应用程式选用适合的观念. 尽量避免使用回圈来读取单一的字元再组成字串. 我曾这样做过, 会掉字元, 且对 read 而言不会显示任何错误.

标准输入程序

这是终端机的标准处理程序, 但用来与其他 dl 型式的以行为单位的输入通讯也很有用, 也就是 read 会传回一整行完整的输入资料. 行预设的终止字元是 NL (ASCII LF), 档案结束符, 或行终止字元. 预设环境下, CR (是 DOS/Windows 预设的行终止符) 不会终止一行的叙述.

标准的输入处理程序还可以处理清除, 删除字, 重印字元, 及转换 CR 为 NL 等等功能..

非标准输入程序

非标准输入程序可以用在需要每次读取固定数量字元的情况, 并允许使用字元输入时间的计时器. 这种模式可以用在读取固定字元数量的应用程式, 或者所连接的装置会突然送出大量字元的状况.

非同步式输入

以上所叙述的两种模式都可以用在非同步与同步的传输模式. 预设是在同步的模式下工作, 也就是在尚未读取完之前, read 的状态会被阻断. 而非同步模式下 read 的状态会直接返回并送出讯号到所叫用的程式直到完成工作. 这个讯号可以由讯号的处理程式 handler...来接收.

等待来自多个讯号来源的输入

这并不是一个不一样的输入模式. 如果你要透过序列埠连接并处理多个装置的话, 它是满有用的. 在我的应用程式中我必需在几乎同一时间内, 透过 TCP/IP socket 及序列埠处理来自其他电脑的输入讯号. 下面这个□例程式将等待来自两个不同输入源的讯号. 如果其中一个信号源出现, 他就会被处理, 而程式会继续等待新的输入讯号.

以下这个方法看起来相当覆杂, 但请记住 Linux 是一个多工的作业系统. select 这个系统呼叫并不会在等待输入讯号时把 CPU 负载加重, 而如果你用回圈方式来等待输入讯号将使得其它同时执行的行程被拖慢.

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3. 程式□例

所有的□例来源自 miniterm.c. The type ahead 暂存器被限制在 255 个字元, 就跟标准输入程序的最大字串长度相同 ( 或

参考程式码中的注解它会解释不同输入模式的使用. 我希望这些程式码都能被了解. 标准输入程序的程式□例的注解写得最好, 其它的□例都只在不同於其它□例的地方做注解.

叙述不是很完整, 但可以激励你对这□例做实验, 以延生出合於你所需应用程式的最佳解.

别忘记要把序列埠的权限设定正确 (也就是: chmod a+rw /dev/ttyS1)!

3.1 标准输入程序

#include

/* 鲍率设定被定义在 , 这在被引入 */

#define BAUDRATE B38400

/* 定义正确的序列埠 */

#define MODEMDEVICE "/dev/ttyS1"

#define _POSIX_SOURCE 1 /* POSIX 系统相容 */

#define FALSE 0

#define TRUE 1

volatile int STOP=FALSE;

main()

{

int fd,c, res;

struct termios oldtio,newtio;

char buf[255];

开启数据机装置以读取并写入而不以控制 tty 的模式

因为我们不想程式在送出 CTRL-C 後就被杀掉.

fd = open(MODEMDEVICE, O_RDWR | O_NOCTTY );

if (fd <0) {perror(MODEMDEVICE); exit(-1); }

tcgetattr(fd,&oldtio); /* 储存目前的序列埠设定 */

bzero(&newtio, sizeof(newtio)); /* 清除结构体以放入新的序列埠设定值 */

BAUDRATE: 设定 bps 的速度. 你也可以用 cfsetispeed 及 cfsetospeed 来设定.

CRTSCTS : 输出资料的硬体流量控制 (只能在具完整线路的缆线下工作

参考 Serial-HOWTO 第七节)

CS8 : 8n1 (8 位元, 不做同位元检查,1 个终止位元)

CLOCAL : 本地连线, 不具数据机控制功能

CREAD : 致能接收字元

newtio.c_cflag = BAUDRATE | CRTSCTS | CS8 | CLOCAL | CREAD;

IGNPAR : 忽略经同位元检查後, 错误的位元组

ICRNL : 比 CR 对应成 NL (否则当输入讯号有 CR 时不会终止输入)

在不然把装置设定成 raw 模式(没有其它的输入处理)

newtio.c_iflag = IGNPAR | ICRNL;

Raw 模式输出.

newtio.c_oflag = 0;

ICANON : 致能标准输入, 使所有回应机能停用, 并不送出信号以叫用程式

newtio.c_lflag = ICANON;

初始化所有的控制特性

预设值可以在 /usr/include/termios.h 找到, 在注解中也有,

但我们在这不需要看它们

newtio.c_cc[VINTR] = 0; /* Ctrl-c */

newtio.c_cc[VQUIT] = 0; /* Ctrl-/ */

newtio.c_cc[VERASE] = 0; /* del */

newtio.c_cc[VKILL] = 0; /* @ */

newtio.c_cc[VEOF] = 4; /* Ctrl-d */

newtio.c_cc[VTIME] = 0; /* 不使用分割字元组的计时器 */

newtio.c_cc[VMIN] = 1; /* 在读取到 1 个字元前先停止 */

newtio.c_cc[VSWTC] = 0; /* '/0' */

newtio.c_cc[VSTART] = 0; /* Ctrl-q */

newtio.c_cc[VSTOP] = 0; /* Ctrl-s */

newtio.c_cc[VSUSP] = 0; /* Ctrl-z */

newtio.c_cc[VEOL] = 0; /* '/0' */

newtio.c_cc[VREPRINT] = 0; /* Ctrl-r */

newtio.c_cc[VDISCARD] = 0; /* Ctrl-u */

newtio.c_cc[VWERASE] = 0; /* Ctrl-w */

newtio.c_cc[VLNEXT] = 0; /* Ctrl-v */

newtio.c_cc[VEOL2] = 0; /* '/0' */

现在清除数据机线并启动序列埠的设定

tcflush(fd, TCIFLUSH);

tcsetattr(fd,TCSANOW,&newtio);

终端机设定完成, 现在处理输入讯号

在这个□例, 在一行的开始处输入 'z' 会退出此程式.

while (STOP==FALSE) { /* 回圈会在我们发出终止的讯号後跳出 */

/* 即使输入超过 255 个字元, 读取的程式段还是会一直等到行终结符出现才停止.

如果读到的字元组低於正确存在的字元组, 则所剩的字元会在下一次读取时取得.

res 用来存放真正读到的字元组个数 */

res = read(fd,buf,255);

buf[res]=0; /* 设定字串终止字元, 所以我们能用 printf */

printf(":%s:%d/n", buf, res);

if (buf[0]=='z') STOP=TRUE;

}

/* 回存旧的序列埠设定值 */

tcsetattr(fd,TCSANOW,&oldtio);

}

3.2 非标准输入程序

在非标准的输入程序模式下, 输入的资料不会被组合成一行而输入後的处理功能 (清除, 杀掉, 删除, 等等.) 都不能使用. 这个模式有两个功能控制参数: c_cc[VTIME] 设定字元输入时间计时器, 及 c_cc[VMIN] 设定满足读取功能的最低字元接收个数.

如果 MIN > 0 且 TIME = 0, MIN 设定为满足读取功能的最低字元接收个数. 由於 TIME 是零, 所以计时器将不被使用.

如果 MIN = 0 且 TIME > 0, TIME 将被当做逾时设定值. 满足读取功能的情况为读取到单一字元, 或者超过 TIME 所定义的时间 (t = TIME *0.1 s). 如果超过 TIME 所定义的时间, 则不会传回任何字元.

如果 MIN > 0 且 TIME > 0, TIME 将被当做一个分割字元组的计时器. 满足读取功能的条件为接收到 MIN 个数的字元, 或两个字元的间隔时间超过 TIME 所定义的值. 计时器会在每读到一个字元後重新计时, 且只会在第一个字元收到後才会启动.

如果 MIN = 0 且 TIME = 0, 读取功能就马上被满足. 目前所存在的字元组个数, 或者将回传的字元组个数. 根据 Antonino (参考贡献) 所说, 你可以用 fcntl(fd, F_SETFL, FNDELAY); 在读取前得到相同的结果.

藉由修改 newtio.c_cc[VTIME] 及 newtio.c_cc[VMIN] 上述的模式就可以测试了.

#include

#define BAUDRATE B38400

#define MODEMDEVICE "/dev/ttyS1"

#define _POSIX_SOURCE 1 /* POSIX 系统相容 */

#define FALSE 0

#define TRUE 1

volatile int STOP=FALSE;

main()

{

int fd,c, res;

struct termios oldtio,newtio;

char buf[255];

fd = open(MODEMDEVICE, O_RDWR | O_NOCTTY );

if (fd <0) {perror(MODEMDEVICE); exit(-1); }

tcgetattr(fd,&oldtio); /* 储存目前的序列埠设定 */

bzero(&newtio, sizeof(newtio));

newtio.c_cflag = BAUDRATE | CRTSCTS | CS8 | CLOCAL | CREAD;

newtio.c_iflag = IGNPAR;

newtio.c_oflag = 0;

/* 设定输入模式 (非标准型, 不回应,...) */

newtio.c_lflag = 0;

newtio.c_cc[VTIME] = 0; /* 不使用分割字元组计时器 */

newtio.c_cc[VMIN] = 5; /* 在读取到 5 个字元前先停止 */

tcflush(fd, TCIFLUSH);

tcsetattr(fd,TCSANOW,&newtio);

while (STOP==FALSE) { /* 输入回圈 */

res = read(fd,buf,255); /* 在输入 5 个字元後即返回 */

buf[res]=0; /* 所以我们能用 printf... */

printf(":%s:%d/n", buf, res);

if (buf[0]=='z') STOP=TRUE;

}

tcsetattr(fd,TCSANOW,&oldtio);

}

3.3 非同步式输入

#include

#define BAUDRATE B38400

#define MODEMDEVICE "/dev/ttyS1"

#define _POSIX_SOURCE 1 /* POSIX 系统相容 */

#define FALSE 0

#define TRUE 1

volatile int STOP=FALSE;

void signal_handler_IO (int status); /* 定义讯号处理程序 */

int wait_flag=TRUE; /* 没收到讯号的话就会是 TRUE */

main()

{

int fd,c, res;

struct termios oldtio,newtio;

struct sigaction saio; /* definition of signal action */

char buf[255];

/* 开启装置为 non-blocking (读取功能会马上结束返回) */

fd = open(MODEMDEVICE, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NONBLOCK);

if (fd <0) {perror(MODEMDEVICE); exit(-1); }

/* 在使装置非同步化前, 安装讯号处理程序 */

saio.sa_handler = signal_handler_IO;

saio.sa_mask = 0;

saio.sa_flags = 0;

saio.sa_restorer = NULL;

sigaction(SIGIO,&saio,NULL);

/* 允许行程去接收 SIGIO 讯号*/

fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());

/* 使档案ake the file descriptor 非同步 (使用手册上说只有 O_APPEND 及

O_NONBLOCK, 而 F_SETFL 也可以用...) */

fcntl(fd, F_SETFL, FASYNC);

tcgetattr(fd,&oldtio); /* 储存目前的序列埠设定值 */

/* 设定新的序列埠为标准输入程序 */

newtio.c_cflag = BAUDRATE | CRTSCTS | CS8 | CLOCAL | CREAD;

newtio.c_iflag = IGNPAR | ICRNL;

newtio.c_oflag = 0;

newtio.c_lflag = ICANON;

newtio.c_cc[VMIN]=1;

newtio.c_cc[VTIME]=0;

tcflush(fd, TCIFLUSH);

tcsetattr(fd,TCSANOW,&newtio);

/* 等待输入讯号的回圈. 很多有用的事我们将在这做 */

while (STOP==FALSE) {

printf("./n");usleep(100000);

/* 在收到 SIGIO 後, wait_flag = FALSE, 输入讯号存在则可以被读取 */

if (wait_flag==FALSE) {

res = read(fd,buf,255);

buf[res]=0;

printf(":%s:%d/n", buf, res);

if (res==1) STOP=TRUE; /* 如果只输入 CR 则停止回圈 */

wait_flag = TRUE; /* 等待新的输入讯号 */

}

/* 回存旧的序列埠设定值 */

tcsetattr(fd,TCSANOW,&oldtio);

}

/***************************************************************************

* 讯号处理程序. 设定 wait_flag 为 FALSE, 以使上述的回圈能接收字元 *

***************************************************************************/

void signal_handler_IO (int status)

{

printf("received SIGIO signal./n");

wait_flag = FALSE;

}

3.4 等待来自多个讯号来源的输入

这一段很短. 它只能被拿来当成写程式时的提示, 故□例程式也很简短. 但这个□例不只能用在序列埠上, 还可以用在被当成档案来使用的装置上.

select 呼叫及伴随它所引发的巨集共用 fd_set. fd_set 则是一个位元阵列, 而其中每一个位元代表一个有效的档案叙述结构. select 呼叫接受一个有效的档案叙述结构并传回 fd_set 位元阵列, 而该位元阵列中若有某一个位元为 1, 就表示相对映的档案叙述结构的档案发生了输入, 输出或有例外事件. 而这些巨集提供了所有处理 fd_set 的功能. 亦可参考手册 select(2).

#include

main()

{

int fd1, fd2; /* 输入源 1 及 2 */

fd_set readfs; /* 档案叙述结构设定 */

int maxfd; /* 最大可用的档案叙述结构 */

int loop=1; /* 回圈在 TRUE 时成立 */

/* open_input_source 开启一个装置, 正确的设定好序列埠,

并回传回此档案叙述结构体 */

fd1 = open_input_source("/dev/ttyS1"); /* COM2 */

if (fd1<0) exit(0);

fd2 = open_input_source("/dev/ttyS2"); /* COM3 */

if (fd2<0) exit(0);

maxfd = MAX (fd1, fd2)+1; /* 测试最大位元输入 (fd) */

/* 输入回圈 */

while (loop) {

FD_SET(fd1, &readfs); /* 测试输入源 1 */

FD_SET(fd2, &readfs); /* 测试输入源 2 */

/* block until input becomes available */

select(maxfd, &readfs, NULL, NULL, NULL);

if (FD_ISSET(fd1)) /* 如果输入源 1 有讯号 */

handle_input_from_source1();

if (FD_ISSET(fd2)) /* 如果输入源 2 有讯号 */

handle_input_from_source2();

}

这个□例程式在等待输入讯号出现前, 不能确定它会停顿下来. 如果你需要在输入时加入逾时功能, 只需把 select 呼叫换成:

int res;

struct timeval Timeout;

/* 设定输入回圈的逾时值 */

Timeout.tv_usec = 0; /* 毫秒 */

Timeout.tv_sec = 1; /* 秒 */

res = select(maxfd, &readfs, NULL, NULL, &Timeout);

if (res==0)

/* 档案叙述结构数在 input = 0 时, 会发生输入逾时. */

这个程式会在 1 秒钟後逾时. 如果超过时间, select 会传回 0, 但是应该留意 Timeout 的时间递减是由 select 所等待输入讯号的时间为基准. 如果逾时的值是 0, select 会马上结束返回.

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4. 其它资源

Linux Serial-HOWTO 叙述如何设定序列埠及所有相关的硬体资讯.

由 Michael Sweet 所写的 Serial Programming Guide for POSIX Compliant Operating Systems. 这个连结已经荒废了但我找不到它的新位址. 有人知道能在哪找到它吗? 它是很棒的文件!

termios(3) 的使用手册. 叙述所有有关 termios 结构体的旗标.

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5. 贡献

就跟简介所说的一样, 我并非在这领域有所专精, 但我自己遇到问题, 并透过他人的帮助找到答案. 感谢来自 European Transonic Windtunnel 的 Strudthoff 先生, Cologne, Michael Carter ([email protected]), 及 Peter Waltenberg ([email protected])

与我同时准备这份文件的 Antonino Ianella ([email protected] 所篆写的 Serial-Port-Programming Mini HOWTO. Greg Hankins 要求我把 Antonino's Mini-HOWTO 一并放入这份文件.

这份文件的结构及 SGML 的格式是源自 Greg Hankins 的 Serial-HOWTO. 感谢 Dave Pfaltzgraff ([email protected]), Sean Lincolne ([email protected]), Michael Wiedmann ([email protected]), 及 Adrey Bonar ([email protected]) 各方面的协助.

Linux Serial Programming HOWTO - 串口通讯编

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