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Linux串口应用编程

在Linux系统中，操作设备的统一接口就是：

open/ioctl/read/write

。
对于UART，又在

ioctl

之上封装了很多函数，主要是用来设置行规程。
所以对于UART，编程的套路就是：

  • 使用open函数打开串口
  • 设置行规程，比如波特率、数据位、停止位、检验位、RAW模式、一有数据就返回
  • read/write数据在这里插入图片描述

1. 打开串口

由于串行端口是一个文件，因此使用open(2)函数来访问它。C语言代码示例如下。

1.1 示例

#include<stdio.h>/* 标准输入/输出定义 */#include<string.h>/* 字符串函数定义 */#include<unistd.h>/* UNIX标准函数定义 */#include<fcntl.h>/* 文件控制定义 */#include<errno.h>/* 错误号定义 */#include<termios.h>/* POSIX终端控制定义 */// 成功时返回文件描述符，错误时返回-1。intopen_port(void){int fd;/* 端口的文件描述符 */
  fd =open("/dev/ttyf1", O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);if(fd ==-1){// 打开端口失败perror("open_port: Unable to open /dev/ttyf1 - ");}elsefcntl(fd, F_SETFL,0);return(fd);}

其他系统可能需要相应的设备文件名，但除此之外代码是相同的。

1.2 open函数的标志位

当我们打开设备文件时，我们使用了另外两个标志以及读+写模式：

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

其中，

  • O_NOCTTY ：表示告诉操作系统，应用程序（进程）打开串口之后，不要把程序当作控制终端。如果指定这一点，那么任何输入（如键盘中止信号等）都将影响进程。
  • O_NDELAY：表示告诉操作系统，应用程序（进程）不关心DCD信号线的状态，即不关心端口的另一端是否启动并运行。如果没有指定这个标志，进程将被置于休眠状态，直到DCD信号线是空间电压。

2. 配置串口

配置串口也就是设置行规程，行规程的参数用结构体

struct termios

来表示。设置行规程就是设置该结构体中成员的值。

2.1 结构体struct termios

结构体

struct termios

定义如下：
在这里插入图片描述

structtermios{unsignedshort c_iflag;/* 输入模式标志*/unsignedshort c_oflag;/* 输出模式标志*/unsignedshort c_cflag;/* 控制模式标志*/unsignedshort c_lflag;/* 区域模式标志或本地模式标志或局部模式*/unsignedchar c_line;/* 行控制line discipline */unsignedchar c_cc[NCC];/* 控制字符特性*/};

2.2 struct termios作用

struct termios

被用来提供一个健全的线路设置集合, 如果这个端口在被用户初始化前使用. 驱动初始化这个变量使用一个标准的数值集, 它拷贝自 

tty_std_termios

变量. 

tty_std_termos

在 

tty

核心被定义为：

structtermios tty_std_termios ={.c_iflag = ICRNL | IXON;.c_oflag = OPOST | ONLCR;.c_cflag = B38400 | CS8 | CREAD | HUPCL;.c_lflag = ISIG | ICANON | ECHO | ECHOE | ECHOK | ECHOCTL | ECHOKE | IEXTEN;.c_cc = INIT_C_CC;};

这个 

struct termios

结构用来持有所有的当前线路设置，给这个 

tty

设备的一个特定端口。这些线路设置控制当前波特率。数据大小。数据流控设置。以及许多其他值。

2.3 struct termios成员介绍

2.3.1 c_iflag标志常量：Input mode ( 输入模式)

输入模式成员

c_iflag

控制对端口上接收到的字符所做的任何输入处理。

c_iflag

中存储的最终值由下表中选项的按位或。
常量描述INPCK启用奇偶校验IGNPAR忽略奇偶校验错误PARMRK标记奇偶校验错误ISTRIP去掉奇偶校验位IXON启用输出的 XON/XOFF 流控制IXOFF启用输入的 XON/XOFF 流控制IXANY(不属于 POSIX.1；XSI) 允许任何字符来重新开始输出IGNBRK忽略输入中的 BREAK 状态。 （忽略命令行中的中断）BRKINT当检测到中断条件时发送SIGINTINLCR将输入中的 NL 翻译为 CR。（将收到的换行符号转换为Return）IGNCR忽略输入中的回车ICRNL将输入中的回车翻译为新行 (除非设置了 IGNCR)(否则当输入信号有 CR 时不会终止输入)IUCLC(不属于 POSIX) 将输入中的大写字母映射为小写字母IMAXBEL(不属于 POSIX) 当输入队列满时响零。Linux 没有实现这一位，总是将它视为已设置

2.3.2 c_oflag 标志常量： Output mode ( 输出模式)

c_oflag

成员包含输出过滤选项。与输入模式一样，您可以选择已处理或原始数据输出。

c_oflag

中存储的最终值由下表中选项的按位或。
常量描述OPOST启用具体实现自行定义的输出处理(未设置=原始输出)OLCUC(不属于 POSIX) 将输出中的小写字母映射为大写字母ONLCR(XSI) 将输出中的新行符映射为回车-换行OCRNL将输出中的回车映射为新行符ONOCR不在第 0 列输出回车ONLRET不输出回车OFILL发送填充字符作为延时，而不是使用定时来延时OFDEL(不属于 POSIX) 填充字符是 ASCII DEL (0177)。如果不设置，填充字符则是 ASCII NULNLDLY新行延时掩码。取值为 NL0 和 NL1CRDLY回车延时掩码。取值为 CR0, CR1, CR2, 或 CR3BSDLY回退延时掩码。取值为 BS0 或 BS1。(从来没有被实现过)VTDLY竖直跳格延时掩码。取值为 VT0 或 VT1IUCLC(不属于 POSIX) 将输入中的大写字母映射为小写字母FFDLY进表延时掩码。取值为 FF0 或 FF1
更多选项如下图所示：
在这里插入图片描述
一般有两种输出模式可供选择：
（1）选择已处理输出
通过在

c_oflag

成员中设置

OPOST

选项来选择处理后的输出：

options.c_oflag |= OPOST;

在所有不同的选项中，目前只能使用

ONLCR

选项，它将换行符映射为CR-LF对。其余的输出选项主要是历史上的，可以追溯到行打印机和终端无法跟上串行数据流的时候。
（2）选择原始输出
通过重置

c_oflag

成员中的

OPOST

选项来选择原始输出：

options.c_oflag &=~OPOST;

当

OPOST

选项被禁用时，

c_oflag

中的所有其他选项位都会被忽略。

2.3.3 c_cflag 标志常量： Control mode ( 控制模式)

c_cflag

成员控制波特率、数据位数、奇偶校验、停止位和硬件流控制。所有支持的配置都有常量。

c_cflag

中存储的最终值由下表中选项确定。
常量描述CBAUD(不属于 POSIX) 波特率掩码 (4+1 位)OLCUC(不属于 POSIX) 扩展的波特率掩码 (1 位)，包含在 CBAUD 中CSIZE字符长度掩码（传送或接收字元时用的位数）。取值为 CS5（传送或接收字元时用5bits）, CS6, CS7, 或 CS8CSTOPB设置两个停止位，而不是一个CREAD打开接受者PARENB允许输出产生奇偶信息以及输入的奇偶校验（启用同位产生与侦测）PARODD输入和输出是奇校验（使用奇同位而非偶同位）HUPCL在最后一个进程关闭设备后，降低 modem 控制线 (挂断)CLOCAL忽略 modem 控制线LOBLK(不属于 POSIX) 从非当前 shell 层阻塞输出(用于 shl )CIBAUD(不属于 POSIX) 输入速度的掩码。CIBAUD 各位的值与 CBAUD 各位相同，左移了 IBSHIFT 位CRTSCTS(不属于 POSIX) 启用 RTS/CTS (硬件) 流控制
在这里插入图片描述

c_cflag

成员包含两个应该始终启用的选项，

CLOCAL

和

CREAD

。这将确保您的程序不会成为端口的“所有者”，受到零星的作业控制和挂起信号的影响，并且串行接口驱动程序将读取传入的数据字节。

不要直接初始化

c_cflag

(或任何其他标志)成员。应该始终使用按位的

AND

、

OR

和

NOT

操作符来设置或清除成员中的位。不同的操作系统版本可以以不同的方式使用位，因此使用位操作符将防止破坏新串行驱动程序中所需的位标志。

2.3.4 c_lflag 标志常量： Local mode ( 局部模式)

本地模式成员

c_lflag

控制串口驱动程序如何管理输入字符。通常，将为规范或原始输入配置

c_lflag

成员。

c_cflag

中存储的最终值由下表中选项确定。
常量描述ISIG使能SIGINTR、SIGSUSP、SIGDSUSP和SIGQUIT信号ICANON启用规范化输入(否则为raw)XCASE(不属于 POSIX; Linux 下不被支持) 如果同时设置了 ICANON，终端只有大写。输入被转换为小写，除了有前缀的字符。输出时，大写字符被前缀（某些系统指定的特定字符） ，小写字符被转换成大写。ECHO启用输入字符的回显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ECHOK如果同时设置了 ICANON，字符 KILL 删除当前行ECHONL如果同时设置了 ICANON，回显字符 NL，即使没有设置 ECHONOFLSH禁止在产生 SIGINT, SIGQUIT 和 SIGSUSP 信号时刷新输入和输出队列，即关闭queue中的flushIEXTEN启用扩展功能ECHOCTL如果同时设置了 ECHO，除了 TAB, NL, START, 和 STOP 之外的 ASCII 控制信号被回显为 ^X, 这里 X 是比控制信号大 0x40 的 ASCII 码。例如，字符 0x08 (BS) 被回显为 ^HECHOPRT如果同时设置了 ICANON 和 IECHO，字符在删除的同时被打印CRTSCTS(不属于 POSIX) 启用 RTS/CTS (硬件) 流控制
一般有两种输入模式可供选择：
（1）选择规范输入
规范输入是面向行的。输入字符被放入缓冲区，用户可以交互地编辑缓冲区，直到收到CR(回车)或LF(换行)字符。
当选择此模式时，通常选择

ICANON

、

ECHO

和

ECHO

选项：

options.c_lflag |=(ICANON | ECHO | ECHOE);

（2）选择原始输入
原始输入未经处理。当接收到输入字符时，它们将完全按照接收到的方式传递。通常，当使用原始输入时，您将取消选择

ICANON

, 

ECHO

, 

ECHOE

和

ISIG

选项：

options.c_lflag &=~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);

2.3.5 c_cc 数组：特殊控制字元

UNIX串行接口驱动程序提供了指定字符和数据包超时的能力。

c_cc

数组中的两个元素用于超时：

VMIN

和

VTIME

。在规范输入模式下或通过

open

或

fcntl

在文件上设置

NDELAY

选项时，会忽略超时。

VMIN

指定要读取的最小字符数。如果设置为0，则

VTIME

值指定等待读取每个字符的时间。请注意，这并不意味着对N个字节的读取调用将等待N个字符进入。相反，超时将应用于第一个字符，

read

调用将返回立即可用的字符数(最多可达您请求的字符数)。

如果

VMIN

不为零，则

VTIME

指定等待读取第一个字符的时间。如果在给定的时间内读取一个字符，则任何读取将阻塞(等待)，直到读取所有

VMIN

字符。也就是说，一旦读取了第一个字符，串行接口驱动程序期望接收整个字符包(

VMIN

字节总数)。如果在允许的时间内没有读取任何字符，则调用

read

返回0。此方法允许您告诉串行驱动程序您需要恰好N个字节，并且任何读调用将返回0或N个字节。然而，超时只适用于第一个字符读取，所以如果由于某种原因驱动程序错过了N字节包中的一个字符，那么

read

调用可能会永远阻塞，等待额外的输入字符。

VTIME

指定等待传入字符的时间，以十分之一秒为单位。如果

VTIME

设置为0(默认值)，读取将无限期阻塞(等待)，除非在端口上设置

NDELAY

选项

open

或

fcntl

。

VMIN

与

VTIME

的组合方式如下：
（1）VMIN = 0 , VTIME =0
有

read

立即回传，否则传回 0 ,不读取任何字元
（2）VMIN = 0 , VTIME >0

read

传回读到的字元,或在十分之一秒后传回

VTIME

（3）VMIN > 0 , VTIME =0

read

会等待,直到

VMIN

字元可读
（4）VMIN > 0 , VTIME > 0
每一格字元之间计时器即会被启动

read

会在读到

VMIN

字元,传回值或

VTIME

的字元计时(1/10秒)超过时将值传回

2.4 与结构体struct termios相关的函数

函数命名解释：

  • tc：terminal contorl
  • cf：control flag

2.4.1 tcgetattr()与tcsetattr()

（1）tcgetattr()函数：get terminal attributes，获得终端的属性
原型：

#include<termios.h>#include<unistd.h>inttcgetattr(int fd,structtermios*termios_p);

作用：取得终端介质（fd）初始值，并把其值 赋给temios_p; 函数可以从后台进程中调用；但是，终端属性可能被后来的前台进程所改变。

（2）tcsetattr() 函数：set terminal attributes，修改终端参数
原型：

#include<termios.h>#include<unistd.h>inttcsetattr(int fd,int optional_actions,conststructtermios*termios_p);

作用：设置与终端相关的参数 ，使用 

termios_p

引用的 

termios

结构。

optional_actions

（

tcsetattr

函数的第二个参数）指定了什么时候改变会起作用，可以使用的值如下：

  • TCSANOW：改变立即发生
  • TCSADRAIN：改变在所有写入 fd 的输出都被传输后生效。这个函数应当用于修改影响输出的参数时使用。(当前输出完成时将值改变)
  • TCSAFLUSH ：改变在所有写入 fd 引用的对象的输出都被传输后生效，所有已接受但未读入的输入都在改变发生前丢弃(同TCSADRAIN，但会舍弃当前所有值)。

2.4.2 tcflush()

原型：

inttcflush(int fd,int queue_selector);

作用：丢弃要写入 引用的对象，但是尚未传输的数据，或者收到但是尚未读取的数据，取决于 

queue_selector

的值。 

queue_selector

的取值有：

  • TCIFLUSH ：刷新收到的数据但是不读
  • TCOFLUSH ：刷新写入的数据但是不传送
  • TCIOFLUSH ：同时刷新收到的数据但是不读，并且刷新写入的数据但是不传送

2.4.3 tcflow()

原型：

inttcflow(int fd,int action);

作用：挂起 fd 引用的对象上的数据传输或接收，取决于 

action

的值。 

action

取值有：

  • TCOOFF ：挂起输出
  • TCOON ：重新开始被挂起的输出
  • TCIOFF ：发送一个 STOP 字符，停止终端设备向系统传送数据
  • TCION ：发送一个 START 字符，使终端设备向系统传输数据

打开一个终端设备时的默认设置是输入和输出都没有挂起。

2.4.4 波特率函数

波特率函数被用来获取和设置 

termios

结构体中输入和输出波特率的值。新值不会马上生效，直到成功调用了 

tcsetattr()

函数。
（1）cfgetospeed()函数
原型：

speed_tcfgetispeed(conststructtermios*termios_p);

作用：返回 

termios_p

指向的 

termios

结构中存储的输出波特率。返回存储在终端结构中的输入波特率。
（2）cfsetispeed()函数：sets the input baud rate，设置输入波特率
原型：

intcfsetispeed(structtermios*termios_p,speed_t speed);

作用：设置 

termios

结构中存储的输入波特率为 

speed

。如果输入波特率被设为0，实际输入波特率将等于输出波特率。
（3）cfsetospeed()函数：sets the output baud rate，设置输出波特率
原型：

intcfsetospeed(structtermios*termios_p,speed_t speed);

作用：设置 

termios

结构中存储的输出波特率为 

speed

。

（4）cfsetspeed()函数：同时设置输入、输出波特率
原型：

intcfsetspeed(structtermios*termios_p,speed_t speed);

作用：

cfsetspeed()

是一个4.4BSD扩展。它接受与

cfsetispeed()

相同的参数，并设置输入和输出速度。
（5）波特率大小设置选择
如图：
在这里插入图片描述

3. Linux串口应用编程实例

下面给出了串口配置的完整的函数。通常，为了函数的通用性，通常将常用的选项都在函数中列出，这样可以大大方便以后用户的调试使用。该设置函数如下所示：

3.1 串口配置的函数

// fd：设备文件描述符；nSpeed：需要设置的波特率；nBits：需要设置的数据位数；nEvent：奇偶校验位；nStop：停止位intset_opt(int fd,int nSpeed,int nBits,char nEvent,int nStop){structtermios newtio,oldtio;/*保存测试现有串口参数设置，在这里如果串口号等出错，会有相关的出错信息*/if(tcgetattr( fd,&oldtio)!=0){perror("SetupSerial 1");return-1;}//将 newtio 清零bzero(&newtio,sizeof( newtio ));/*步骤一，设置字符大小*/
    newtio.c_cflag  |=  CLOCAL | CREAD; 
    newtio.c_cflag &=~CSIZE;/*设置数据位*/switch( nBits ){case7:
            newtio.c_cflag |= CS7;break;case8:
            newtio.c_cflag |= CS8;break;}/*设置奇偶校验位*/switch( nEvent ){case'O'://奇数
            newtio.c_cflag |= PARENB;
            newtio.c_cflag |= PARODD;
            newtio.c_iflag |=(INPCK | ISTRIP);break;case'E'://偶数
            newtio.c_iflag |=(INPCK | ISTRIP);
            newtio.c_cflag |= PARENB;
            newtio.c_cflag &=~PARODD;break;case'N'://无奇偶校验位
            newtio.c_cflag &=~PARENB;break;}/*设置波特率*/switch( nSpeed ){case2400:cfsetispeed(&newtio, B2400);cfsetospeed(&newtio, B2400);break;case4800:cfsetispeed(&newtio, B4800);cfsetospeed(&newtio, B4800);break;case9600:cfsetispeed(&newtio, B9600);cfsetospeed(&newtio, B9600);break;case115200:cfsetispeed(&newtio, B115200);cfsetospeed(&newtio, B115200);break;case460800:cfsetispeed(&newtio, B460800);cfsetospeed(&newtio, B460800);break;default:cfsetispeed(&newtio, B9600);cfsetospeed(&newtio, B9600);break;}/*设置停止位*/if( nStop ==1)
        newtio.c_cflag &=~CSTOPB;elseif( nStop ==2)
        newtio.c_cflag |=  CSTOPB;/*设置等待时间和最小接收字符*/
    newtio.c_cc[VTIME]=0;
    newtio.c_cc[VMIN]=0;/*处理未接收字符*/tcflush(fd,TCIFLUSH);/*激活新配置*/if((tcsetattr(fd,TCSANOW,&newtio))!=0){perror("com set error");return-1;}printf("set done!\n");return0;}

3.2 打开串口的函数

下面给出了一个完整的打开串口的函数，同样写考虑到了各种不同的情况。程序如下所示：

/*打开串口函数*/intopen_port(int fd,int comport){char*dev[]={"/dev/ttyS0","/dev/ttyS1","/dev/ttyS2"};//串口 1if(comport==1){
        fd =open("/dev/ttyS0", O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY);if(-1== fd){perror("Can't Open Serial Port");return(-1);}}elseif(comport==2){//串口 2
        fd =open("/dev/ttyS1", O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY);if(-1== fd){perror("Can't Open Serial Port");return(-1);}}elseif(comport==3){//串口 3
        fd =open("/dev/ttyS2", O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY);if(-1== fd){perror("Can't Open Serial Port");return(-1);}}/*恢复串口为阻塞状态*/if(fcntl(fd, F_SETFL,0)<0)printf("fcntl failed!\n");elseprintf("fcntl=%d\n",fcntl(fd, F_SETFL,0));/*测试是否为终端设备*/if(isatty(STDIN_FILENO)==0)printf("standard input is not a terminal device\n");elseprintf("isatty success!\n");printf("fd-open=%d\n",fd);return fd;}

3.3 从串口中读取数据

//intread_datas(int fd,char*rcv_buf,int rcv_wait){int retval;

    fd_set rfds;structtimeval tv;int ret,pos;

    tv.tv_sec = rcv_wait;// wait 2.5s
    tv.tv_usec =0;

    pos =0;// point to rceeive bufwhile(1){FD_ZERO(&rfds);FD_SET(fd,&rfds);

        retval =select(fd+1,&rfds,NULL,NULL,&tv);if(retval ==-1){perror("select()");break;}elseif(retval){// pan duan shi fou hai you shu ju
            ret =read(fd, rcv_buf+pos,2048);
            pos += ret;if(rcv_buf[pos-2]=='\r'&& rcv_buf[pos-1]=='\n'){FD_ZERO(&rfds);FD_SET(fd,&rfds);
    
                retval =select(fd+1,&rfds,NULL,NULL,&tv);if(!retval)break;// no datas, break}}else{printf("No data\n");break;}}return1;}

3.4 向串口传数据

intsend_data(int fd,char*send_buf){ssize_t ret;
    ret =write(fd,send_buf,strlen(send_buf));if(ret ==-1){printf("write device %s error\n", DEVICE_TTYS);return-1;}return1;}

参考

[1] https://digilander.libero.it/robang/rubrica/serial.htm
[2] https://blog.csdn.net/yemingzhu163/article/details/5897156
[3] https://www.cnblogs.com/feisky/archive/2010/05/21/1740893.html

标签： linux unix 串口
本文转载自: https://blog.csdn.net/weixin_45003868/article/details/130263090
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