Win32 串口编程（一）

http://blog.sina.com.cn/s/blog_56dee71a0100ex0l.html

翻译自：ms-help://MS.MSDNQTR.v80.chs/MS.MSDN.v80/MS.WIN32COM.v10.en/dnfiles/html/msdn_serial.htm

老外写的文章，虽比较全面，但很啰嗦，不如看各个函数的文档来得快。为方便以后查阅，列出本文涉及的主要函数如下：

CreateFile、ReadFile、WriteFile、GetOverlappedResult、WaitForSingleObject

SetCommMask、WaitCommEvent

ClearCommError、GetCommModemStatus、EscapeCommFunction

GetCommState、BuildCommDCB、SetCommState、SetCommTimeouts

此外，新浪的博客系统限制文章最大长度为40000字节，只好把这篇文章分成几部分了。

0 简介

本文仅关注在Windows NT和95间兼容的API。Windows 95支持Telephony API(TAPI)，但Windows NT 3.x不支持TAPI，所以本文不讨论它。

本文的示例程序MTTTY(Multithreaded TTY)使用了三个线程：一个进行内存管理的界面线程；控制所有写入操作的写入者线程；读取数据和处理端口状态改变的读取/状态线程。示例采用了一些不同的堆来进行内存管理；还大量使用了同步方法来进行线程间通信。

1 打开端口

使用CreateFile函数打开端口。打开端口时有两种方法：重叠的和非重叠的。下列代码片段以重叠方式打开端口：

 

HANDLE hComm; hComm = CreateFile( gszPort,                       GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,                      0,                      0,                      OPEN_EXISTING,                     FILE_FLAG_OVERLAPPED,                     0); if (hComm == INVALID_HANDLE_VALUE)    // error opening port; abort

 

 

 

 

 

 

去掉参数中的FILE_FLAG_OVERLAPPED就是非重叠操作方式了。用CreateFile打开通信端口时，有下列限制：

• fdwShareMode 必须是0。通信端口不能像文件那样被共享。要共享通信端口，需要使用句柄继承或者复制操作。
• fdwCreate 必须指定 OPEN_EXISTING 标志。
• hTemplateFile 参数必须是 NULL。

端口名通常是COM1、COM2、COM3和COM4。Win32 API不提供确定系统中有哪些端口可用的机制。Windows NT和Windows 95跟踪系统已安装端口的方法是不同的，所以不太可能提供兼容的确定可用端口的方法。某些系统可能有多于4个端口，而传统的通信端口最大个数是4。硬件厂商和串口驱动编写者可以自由地为端口命名。所以，程序最好可以让用户指定要使用的端口名字。如果端口不存在，则试图打开端口时会返回ERROR_FILE_NOT_FOUND错误，这时应该提示用户端口不可用。

2 读写操作

通信端口的读写操作与文件I/O操作非常相似，它们使用同样的函数。Win32的I/O操作可分为两种：重叠(overlapped)的和非重叠的(nonoverlapped)。平台SDK文档分别使用异步(asynchronous)和同步(synchronous)来表示这两种I/O方式。

很多开发者都熟悉非重叠I/O，因为它就是传统的I/O方式：函数返回时，所请求的操作已经完成。然而在重叠I/O的情况下，系统则可能在操作还没有完成的情形下立即返回，随后才通知调用者操作完成。程序可以在发起I/O请求和请求被完成之间进行一些后台工作。

2.1 非重叠I/O

非重叠I/O的工作方式很简单：I/O操作进行时，调用线程被阻塞；操作完成后，函数返回，调用线程可以继续执行。在多线程应用中，这种I/O方式很有用：一个线程阻塞在某I/O操作上时，其他线程可以继续工作。应用程序应该保证对端口的串行访问。某个线程阻塞在等待某I/O操作上时，其他线程后续的通信API调用也都将阻塞。比如说，一个线程在等待ReadFile调用返回时，另一个线程的WriteFile函数调用将阻塞。

在选择使用非重叠还是重叠方式时，可移植性是要考虑的因素之一。有时候重叠操作并不是好的选择，因为很多操作系统不支持它；然而很多操作系统都支持某种形式的多线程。所以从兼容性方面考虑，多线程非重叠I/O可能是最好的选择。

2.2 重叠I/O

重叠I/O不像非重叠I/O那样简单易懂，但却灵活高效。使用重叠方式打开的端口允许多个线程同时进行I/O操作，并且在操作进行期间可以进行其他的工作。此外，重叠操作的行为方式还允许单个线程提交多个不同的请求，然后在操作进行期间进行其他后台工作。

在单线程和多线程应用中，都必须在提交I/O请求和处理操作结果间进行一些同步操作。线程可能需要在操作结果可用前阻塞；当然也可以进行其他工作。如果没有其他需要进行的工作，则重叠I/O的优点是更好的用户响应性能。

MTTTY使用了重叠I/O。它创建用于读取数据和监测端口状态的线程，并且还定时进行一些后台工作；此外它还另外创建一个线程用于写入数据。

重叠I/O操作分为两个部分：创建I/O操作和检测操作完成。创建I/O操作涉及到建立OVERLAPPED结构体、创建用于同步的手动复位事件、调用恰当的函数(ReadFile或者WriteFile)。I/O操作可能立即完成，也可能不能立即完成，不能认为一个重叠I/O操作请求总是生成一个重叠操作。如果操作立即完成，程序应该可以继续进行通常的处理。检测操作完成涉及到等待事件句柄、检查操作完成结果、处理数据。与重叠I/O相关的工作更多的原因是有更多的失败点。非重叠操作中，简单地通过函数返回值判断操作是否失败；而重叠操作中，则可能在创建操作请求时失败，或者操作阻塞期间失败，也可能是操作超时，或者是等待操作完成信号超时。

2.2.1 读操作

下面的代码片段展示了提交重叠的读操作请求的方法。注意，如果ReadFile返回TRUE，调用了一个函数处理数据。代码定义了fWaitingOnRead标志，它表示是否有重叠的读取操作存在，用于阻止在一个操作进行中时提交另一个读取操作请求。

 

DWORD dwRead; BOOL fWaitingOnRead = FALSE; OVERLAPPED osReader = {0}; // Create the overlapped event. Must be closed before exiting // to avoid a handle leak. osReader.hEvent = CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, NULL); if (osReader.hEvent == NULL)    // Error creating overlapped event; abort. if (!fWaitingOnRead) {    // Issue read operation.    if (!ReadFile(hComm, lpBuf, READ_BUF_SIZE, &dwRead, &osReader)) {       if (GetLastError() != ERROR_IO_PENDING)     // read not delayed?          // Error in communications; report it.       else          fWaitingOnRead = TRUE;    }    else {           // read completed immediately       HandleASuccessfulRead(lpBuf, dwRead);     } }

 

OVERLAPPED结构体的事件句柄被传递给WaitForSingleObject以等待事件授信，操作完成。注意，事件受信表示操作完成，而不是操作成功完成。应该用GetOverlappedResult来取得操作结果，它返回TRUE表示操作成功完成；FALSE表示有错误发生，用GetLastError可以取得具体的错误码。也可以用GetOverlappedResult来检测操作完成：GetOverlappedResult返回FALSE，GetLastError返回ERROR_IO_INCOMPLETE表示操作进行中。如果对bWait参数传入TRUE，则效果就是重叠操作变成了非重叠的，直到操作完成，函数才返回。下面的代码片段展示了一种检测重叠读取操作完成的方法。注意fWaitingOnRead标志的使用，它是检测代码的控制入口，只有在某操作进行中时，才应该调用检测代码。

#define READ_TIMEOUT      500      // milliseconds DWORD dwRes; if (fWaitingOnRead) {    dwRes = WaitForSingleObject(osReader.hEvent, READ_TIMEOUT);    switch(dwRes)    {       // Read completed.       case WAIT_OBJECT_0:           if (!GetOverlappedResult(hComm, &osReader, &dwRead, FALSE))              // Error in communications; report it.           else              // Read completed successfully.              HandleASuccessfulRead(lpBuf, dwRead);           //  Reset flag so that another opertion can be issued.           fWaitingOnRead = FALSE;           break;       case WAIT_TIMEOUT:           // Operation isn't complete yet. fWaitingOnRead flag isn't           // changed since I'll loop back around, and I don't want           // to issue another read until the first one finishes.           //           // This is a good time to do some background work.           break;                              default:           // Error in the WaitForSingleObject; abort.           // This indicates a problem with the OVERLAPPED structure's           // event handle.           break;    } }

 

 

2.2.2 写入操作

写入操作跟读取操作非常相似。下面的代码片段展示了如何提交写入操作，并等待操作完成。

 

BOOL WriteABuffer(char * lpBuf, DWORD dwToWrite) {    OVERLAPPED osWrite = {0};    DWORD dwWritten;    DWORD dwRes;    BOOL fRes;    // Create this write operation's OVERLAPPED structure's hEvent.    osWrite.hEvent = CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, NULL);    if (osWrite.hEvent == NULL)       // error creating overlapped event handle       return FALSE;    // Issue write.    if (!WriteFile(hComm, lpBuf, dwToWrite, &dwWritten, &osWrite)) {       if (GetLastError() != ERROR_IO_PENDING) {           // WriteFile failed, but isn't delayed. Report error and abort.          fRes = FALSE;       }       else          // Write is pending.          dwRes = WaitForSingleObject(osWrite.hEvent, INFINITE);          switch(dwRes)          {             // OVERLAPPED structure's event has been signaled.              case WAIT_OBJECT_0:                  if (!GetOverlappedResult(hComm, &osWrite, &dwWritten, FALSE))                        fRes = FALSE;                  else                   // Write operation completed successfully.                   fRes = TRUE;                  break;                          default:                  // An error has occurred in WaitForSingleObject.                  // This usually indicates a problem with the                 // OVERLAPPED structure's event handle.                  fRes = FALSE;                  break;          }       }    }    else       // WriteFile completed immediately.       fRes = TRUE;    CloseHandle(osWrite.hEvent);    return fRes; }

 

注意，上面的代码使用WaitForSingleObject时，超时值是INFINITE，这使得函数无限等待直到操作完成。这可能让调用线程似乎是被挂起了；而实际上只是写入操作需要较长的时间，或者流控制阻塞了传输操作。下文将讨论的状态检查可以检测到这种情况，但它也不会让WaitForSingleObject返回。有三种方法可以克服此问题：

• 把代码放在单独的线程中。这样写入线程在等待写操作完成时，其他线程可以进行任何所需的操作。MTTTY就是这么做的。
• 使用COMMTIMEOUTS使得写操作在经过一个超时值指定的时间后完成。本文后面的“通信超时”节将详细讨论它。MTTTY也可以使用这种方法。
• 修改WaitForSingleObject调用，使用超时值。这样会更麻烦：如果原来的操作仍在进行中，程序提交另一个操作请求，则需要分配新的OVERLAPPED结构和重叠事件。这种记录跟踪保持是很困难的，尤其是与“工作队列”相比较时。MTTTY使用了工作队列。

上面代码中的WaitForSingleObject使用了INFINITE作为超时值，其效果等同于使用TRUE作为GetOverlappedResult的fWait参数。下面是等效的更简洁的代码：

 

BOOL WriteABuffer(char * lpBuf, DWORD dwToWrite) {    OVERLAPPED osWrite = {0};    DWORD dwWritten;    BOOL fRes;    // Create this writes OVERLAPPED structure hEvent.    osWrite.hEvent = CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, NULL);    if (osWrite.hEvent == NULL)       // Error creating overlapped event handle.       return FALSE;    // Issue write.    if (!WriteFile(hComm, lpBuf, dwToWrite, &dwWritten, &osWrite)) {       if (GetLastError() != ERROR_IO_PENDING) {           // WriteFile failed, but it isn't delayed. Report error and abort.          fRes = FALSE;       }       else {          // Write is pending.          if (!GetOverlappedResult(hComm, &osWrite, &dwWritten, TRUE))             fRes = FALSE;          else             // Write operation completed successfully.             fRes = TRUE;       }    }    else       // WriteFile completed immediately.       fRes = TRUE;    CloseHandle(osWrite.hEvent);    return fRes; }

 

GetOverlappedResult并不总是等待重叠操作完成的最好方法。比如说，如果应用需要同时等待另一个事件句柄，则第一个代码片段模型比第二个更好，因为可以很容易地用WaitForMultipleObjects替换WaitForSingleObject，来等待更多的句柄。MTTTY就是这么做的。

在前一个重叠操作完成前重用OVERLAPPED结构是重叠I/O编程中常现的一个错误。如果要在前一个重叠操作完成前提交新的重叠操作请求，则需要分配新的OVERLAPPED结构，其hEvent字段也应该包含新的手动复位事件句柄。只有在重叠操作完成后，OVERLAPPED结构和其事件句柄才可以被重用。

串口通信中使用OVERLAPPED结构时只需要修改hEvent字段，其他字段只需要初始化为零。