POSIX操作系统的串口编程指南(1)

5th Edition
Michael R. Sweet
Copyright 1994-1999, All Rights Reserved

 

原文：http://digilander.libero.it/robang/rubrica/serial.htm

 

第一次翻译文档，不当之处请指正。

 

 

引言

《POSIX操作系统的串口编程指南》将会教你如何成功、高效和可移植的在UNIX环境或PC上对串口进行编程。每一章提供的例程都使用POSIX(Portable Standard for UNIX)终端控制函数，只需极少的修改就可运行在IRIX 、HP-UX、 SunOS、 Solaris、 Digital UNIX、 Linux等大多数类UNIX操作系统。操作系统间最大的不同是串口文件名和文件锁。

本指南包括以下章节和附录：

第一章：串口通信基础

第二章：配置串口

第三章：与MODEM通信

第四章：高级串口编程

附录A：RS-232引脚

附录B：ASCII编码

 

 

第一章：串口通信基础

本章介绍串口通信，RS-232和其他多数计算机使用的标准，还有如何用C语言访问串口。

 

什么是串口通信

计算机传送信息（数据）时，每次传送一个或多个位。串口每次只传送一个位。串口通信包括多数网络设备、键盘、鼠标、MODEM和终端。

进行串口通信时，每次只发送一位，不是0就是1。你有时会听到一些专业术语，mark表示on状态，space表示off状态。

串行数据的速度通常表示为位每秒（bps）或波特率（baud），这只是表示一秒内能发送多少个数字0或1。在计算机诞生的初期，300baud已经被认为很快了，但是今天的计算机可以将RS-232的速度提高至430800baud！当波特率超过1000时，你通常会看到速率显示为kilo baud或kbps。当波特率超过1000000时，会显示为mega baud或Mbps。

当提到串行设备或串行接口时，他们通常称为数据通信设备（DCE）或数据终端设备（DTE），两者之间的区别很简单——每一对信号，例如发送和接收，它们是交叉的。如果要把两个DCE设备或两个DTE设备连接到一起，需要用串行交叉线或转接器将两个信号交换。

 

什么是RS-232

RS-232是 Electronic Industries Association ("EIA")定义的一个标准串行通信电气接口。RS-232事实上有三种（A、B和C），它们分别使用不同的电平定义on和off。使用最多的是RS-232C，它定义-3V到-12V的电压作为mark位（on），定义+3V到+12V的电压作为space位（off）。RS-232C标准最远可以传输8米。你通常可以使信号传的更远，只要波特率设置的够低。

除了数据输入和输出线，还有其他信号用来提供计时、状态和握手：

Table 1 - RS-232 Pin Assignments

Pin	Description	Pin	Description
1	Earth Ground	14	Secondary TXD
2	TXD- Transmitted Data	15	Transmit Clock
3	RXD- Received Data	16	Secondary RXD
4	RTS- Request To Send	17	Receiver Clock
5	CTS- Clear To Send	18	Unassigned
6	DSR- Data Set Ready	19	Secondary RTS
7	GND- Logic Ground	20	DTR- Data Terminal Ready
8	DCD- Data Carrier Detect	21	Signal Quality Detect
9	Reserved	22	Ring Detect
10	Reserved	23	Data Rate Select
11	Unassigned	24	Transmit Clock
12	Secondary DCD	25	Unassigned
13	Secondary CTS

你还可以看到另外两个串行标准——RS-422和RS-573。RS-422使用更低的电平和差分信号，从而将传输距离提高到300m。RS-573定义了通常PC上使用的9针串口和电平。

 

信号定义

RS-232为串口通信定义了18个不同的信号。在UNIX环境中通常只使用其中的6个。

GND - Logic Group（逻辑地）

严格的说，逻辑地不是一个信号，但是没有它其他信号就不能用了。基本上，逻辑地是一个参考电平，通过它来判断电压的正负。

TXD - Transmitted Data（发送数据）

TXD信号将数据从你的工作站中发送到另一端的计算机或设备（例如MODEM）。mark电平被当做1，space电平被当做0.

RXD - Received Data（接收数据）

RXD信号将数据从其他计算机或设备上发送到你的工作站中。信号解析与TXD相同。

DCD - Data Carrier Detect（数据监听）

DCD信号是从位于串口线另一端的计算机或设备接收到的。该信号上的space电平意味着计算机或设备已经处于连接状态。DCD不一定有效，有些设备是没有DCD信号的。

DTR - Data Terminal Ready

DTR信号是由你的工作站产生的，它用来告诉另一端的计算机或设备，你已经准备好（space电平）或没有准备好（mark电平）。一般情况下，在你打开工作站的串口时，DTR就被自动使能了。

CTS - Clear To Send

CTS信号也是从另一端的计算机接收到的。该信号上的space电平意味着你可以发送更多的数据。CTS通常被用来管理从你的工作站到另一端的数据流。

RTS - Request To Send

如果RTS信号被你的工作站设置为space电平，表示有很多数据已经准备好发送了。

就像CTS，RTS一样，它也用来管理工作站与另一端计算机之间的数据流。多数工作站会一直把它设为space电平。

 

异步通信

为了让计算机理解传给它的串行数据，要用些方法来确定字符的开始和结束位置。这专门有异步串行数据来处理。

在异步模式下，串行数据线一直保持mark(1)状态，直到接收到一个字符。每个字符都有一个开始（start)位，在它之后紧跟着字符的每一位，然后是一个可选的parity（奇偶）位，还有一个或多个停止（stop）位。开始（start）位总是一个space（0），它告诉计算机新的串行数据就要到了。数据可以在任何时候发生和接收。因此叫做异步。

Figure 1 - Asynchronous Data Transmission

可选的parity位是简单的数据位的和，它表示数据中的mark（1）位的个数是奇数还是偶数。奇校验（even parity）时，如果字符中包含奇数个1，parity位就是0。偶校验（odd parity）时，如果数据中有偶数个1，parity为就是0。你可能还听说过space parity，mark parity和noparity。Space parity就是parity位一直是0，mark parity就是parity位一直是1，no parity就是没有parity位。

剩余的位叫做停止位（stop bits），可以是1位，1.5位或2位，位于字符之间，停止位的值总是1。过去，停止位用来让计算机有时间处理已经接收到的字符，但是现在，它只是用来同步接收计算机和接收的字符。

异步数据格式通常设为“8N1”，“7E1”，诸如此类。它们的意思分别是“8位数据位，没有奇偶校验，1位停止位”和“7位数据位，奇校验，1位停止位”。

 

什么是全双工和半双工

全双工（Full duplex）的意思是，计算机可以同时接收和发送数据，这意味着有两个分开的数据通道（一个输入，一个输出）。

半双工的意思是，计算机不能在同一时间发生或接收数据。通常这意味着只有一个信号数据通道用来通信。这并不是有些RS-232信号没有使用，而是，通信连接使用了与RS-232不同的不支持全双工的标准。

 

流控制

经常有必要对两个串口间传送的数据流进行控制。这是由串行通信连接中的某个串口或存储介质的限制造成的。在异步通信中，通常有两种方法。

第一种方法叫做“软件”流控制，使用特殊的字符来开始(XON或DC1,021 octal)或停止(XOFF或DC3,023 octal)数据流。这些字符在美国信息互换标准代码（ASCII）中定义。当传输文本信息时，这些代码是有用的，它们不能用来传输没有经过特殊编程的其他类型的信息。

 

什么是Break

正常情况下，发生或接受信号会一直保持mark电平，直到一个新的字符被传送。如果一个信号降为space电平，并保持一段时间，通常是1/4到1/2秒，这时就存在break的情况了。

Break有事被用来重启通信连接或改变通信设备（如MODEM）的操作模式，第三章会深入讨论这些应用。

 

同步通信

与异步数据不同，同步数据是一个恒定的比特流。为了读取链接中的数据，计算机必须提供或接收一个公共的位时钟，这样发送方和接收放就同步了。

即使是同步通信，计算机也必须以某种方式标记数据的开始。常见的做法是使用数据包协议，例如 Serial Data Link Control ("SDLC")或High-Speed Data Link Control ("HDLC")。

每个协议都定义了明确的比特序列来表示一个数据包的开始和结束。协议还定义了一个用来表示没有数据的比特序列。这些比特序列可以使计算机确定数据包的开端。

由于同步协议不需要在每个字符都使用同步位，它在性能上比异步通信提高了至少25%，更适合远程网络，可以配置多个串行接口。

尽管同步通信有速度优势，多数RS-232硬件还是不支持它，以免增加额外的软件和硬件。

 

 

使用串口

像所有的文件一样，UNIX提供通过设备文件访问串口。要使用一个串口你只要打开相应的设备文件。

 

串口文件

每个UNIX系统下的串口都有一个或多个设备文件（在/dev文件夹下）与它关联：

Table 2 - Serial Port Device Files

System	Port 1	Port 2
IRIX®	/dev/ttyf1	/dev/ttyf2
HP-UX	/dev/tty1p0	/dev/tty2p0
Solaris®/SunOS®	/dev/ttya	/dev/ttyb
Linux®	/dev/ttyS0	/dev/ttyS1
Digital UNIX®	/dev/tty01	/dev/tty02

 

打开一个串口

串口也是一个文件，可以用open（2)函数打开。有一个问题是，UNIX系统的设备文件通常是不允许普通用户使用的。解决这个问题的办法包括：改变文件的使用权限，在root用户下运行程序，或者改变你的程序的USERID，使它可以作为设备文件的所有者运行。

现在假设设备文件可以被所有用户使用。在IRIX系统下打开串口设备的代码如下：

Listing 1 - Opening a serial port.

#include <stdio.h>   /* Standard input/output definitions */

#include <string.h>  /* String function definitions */

#include <unistd.h>  /* UNIX standard function definitions */

#include <fcntl.h>   /* File control definitions */

#include <errno.h>   /* Error number definitions */

#include <termios.h> /* POSIX terminal control definitions */

 

/*

 * 'open_port()' - Open serial port 1.

 *

 * Returns the file descriptor on success or -1 on error.

 */

 

int

open_port(void)

{

  int fd; /* File descriptor for the port */

 

 

  fd = open("/dev/ttyf1", O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);

  if (fd == -1)

  {

   /*

    * Could not open the port.

    */

 

    perror("open_port: Unable to open /dev/ttyf1 - ");

  }

  else

    fcntl(fd, F_SETFL, 0);

 

  return (fd);

}

在其他操作系统上需要使用相应的设备文件名。

Open选项

你应该留言到了，我们打开设备文件的时候，在读写模式后面使用了两个标志：

fd = open("/dev/ttyf1", O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);

O_NOCTTY标志告诉UNIX，这个程序不想成为“控制终端”。如果你不指定这个标志，任何输入(例如键盘中断信号）将会影响你的进程。getty（1M/8）程序会在启动登录进程的时候使用这个特性，正常的用户程序是不需要这个特性的。

O_NDELAY标志告诉UNIX，程序不关注DCD信号线的状态——串口的另一端是否已经打开并运行。如果不指定这个标志，你的进程将会进入睡眠状态，直到DCD信号线为space电平。

 

向串口写数据

向串口写数据很容易——只需要用write(2)系统调用发生数据即可：

n = write(fd, "ATZ/r", 4);

if (n < 0)

  fputs("write() of 4 bytes failed!/n", stderr);

write函数返回发生的字节数，如果调用失败返回-1。这种情况一直持续到关闭串口。

常见的错误是EIO，当MODEM或数据连接将Data Carrier Detect (DCD)信号线弄掉时会发生这个错误。

 

从串口读取数据

从串口读取数据有一点麻烦。当你在raw data模式下操作串口时，每个read（2）调用都会返回串口输入缓冲区里实际接收到的字符的个数。如果没有字符是有效的，函数会阻塞（等待），直到有字符输入、定时器过期、或发生错误。可以用下面的代码使read函数立即返回：

fcntl(fd, F_SETFL, FNDELAY);

FNDELAY选项会使read函数在串口没有有效字符时返回0。要恢复正常（阻塞）属性，调用没有FNDELAY选项的fcntl函数：

fcntl(fd, F_SETFL, 0);

这个函数也可以在用O_NDELAY 选项打开串口后调用。

 

关闭串口

要关闭串口，只需要使用close系统调用：

close(fd);

关闭串口后通常会将DTR信号设为低电平，这会使多数MODEM挂起。