linux串口编程非规范模式 read()问题

清疚 2022-07-21 01:29 183阅读 0赞

在linux下编写终端程序时，有规范模式 ，非规范模式（原始模式特殊的非规范模式）之分。不用于终端，而是在串口这种使用情况下，一般设置为原始模式（非规范的一种特殊情况）。但用read()函数，希望从串口接收指定的数量的字符时，往往接收到的实际字符数，都与指定的不同。如本人用read（）希望接收 10 bytes的数据，但实验后发现，分了几次才接收到，俩次接收2bytes ，两次接收3bytes。

查阅相关资料得知：

一般地串口的读写模式有直接模式和缓存模式，在直接模式下，串口的读写都是单字节的，也就是说一次的read或write只能操作一个字节；

但是大部份串口芯片都支持缓存模式，缓存模式一般同时支持中断聚合和超时机制，也就是说在有数据时，当缓存满或者超时时间到时，都会触发读或写中断。写的时候可以将要操作的数据先搬到缓存里，然后启动写操作，芯片会自动将一连串的数据写出，在读的时候类似，一次读到的是串口芯片缓存里的数据。串口设备的缓存一般有限，一次能read到的最大字节数就是缓存的容量。所以串口芯片的缓存容量决定了你一次能收到的字节数。本人用一个usb转232来充当串口接收时，发现一次可以接收8个bytes。

对于具体一次传输多少字节也不去追究了，总之通讯过程中无法保证一次发送的数据肯定是一次接收的，所以必须写代码 来一次一次的接收，直到接收满足预定的为止，当然在此过程中得使用select/poll来避免超时接收。

即从通讯的角度来说，接受方必须自己解决如何识别一个祯的问题。  
（操作串口相当于操作物理层，OSI／ISO模型中的第一层，解决祯同步问题是第二层的任务，所以我们需要自己搭一个第二层。  
也就是说：我们需要通过定义通讯协议，规定数据的内容自己分析什么时候收完了一次需要的数据。因为通讯过程中无法保证一次发送的数据肯定是一次接收的）

下面来解决识别帧的问题：

不是编写终端，我们一帮都采用原始模式； 进行简单的串口编程，一般设置成阻塞模式，便可以了。 但是在大多数应用场合，把串口设置成阻塞模式是很不实用的，如read()时，如果没有数据发来，这程序一直会阻塞在这里（除非用多线程）。 因此一般把其设置为非阻塞模式。一般是需要用串口读取指定长度的数据，但是read函数实际读取的数据长度，往往会与指定的不同， 所以必须自己编写一个读写N字节数据的函数:

很快想到用个循环，但是循环中必须有 ‘即使一直没有收到指定长度的数据但在一定时间后也必须跳出循环’的机制，否则就与阻塞模式的没有区别了 （也就是让函数一直等，等到指定长度数据接收为止）。 参考下APUE的程序清单14-11的readn（）函数，此函数看似很好，但是它不适合用于串口的读取，因为它一旦if(nread = read(fd, ptr, nleft) < 0) 就立刻 会跳出循环，没有丝毫的时间上的容限，而串口的接收必然没有这么快，如若波特率为1200，是比较慢的。俩个字节传输的间隔，其都会被判断为错误 而跳出。当然该函数对于读写文件是非常好用的。

ssize\_t             /\* Read "n" bytes from a descriptor  \*/  
readn(int fd, void \*ptr, size\_t n)  
\{  
 size\_t  nleft;  
 ssize\_t  nread;

>   
> 
> 
>  nleft = n;  
>  while (nleft > 0) \{  
>   if ((nread = read(fd, ptr, nleft)) < 0) \{  
>    if (nleft == n)  
>     return(-1); /\* error, return -1 \*/  
>    else  
>     break;      /\* error, return amount read so far \*/  
>   \} else if (nread == 0) \{  
>    break;          /\* EOF \*/  
>   \}  
>   nleft -= nread;  
>   ptr   += nread;  
>  \}  
>  return(n - nleft);      /\* return >= 0 \*/  
> \}

再次参考下APUE的tread() 和treadn（）函数，这组函数结合了select函数，使得在放弃之前，有了个时间来阻塞。有了一定的时间容限。例如把select中的tv.tv\_sec = 1;这样就不会把 原本正常的俩个字节的时间间隔，误判为错误了。

ssize\_t

tread(int fd, void \*buf, size\_t nbytes, unsigned int timout)

int                         nfds;

fd\_set                   readfds;

struct timeval  tv;

tv.tv\_sec = timout;

tv.tv\_usec = 0;

FD\_ZERO(&readfds);

FD\_SET(fd, &readfds);

nfds = select(fd+1, &readfds, NULL, NULL, &tv);

if (nfds <= 0) \{

if (nfds == 0)

errno = ETIME;

return(-1);

return(read(fd, buf, nbytes));

ssize\_t

treadn(int fd, void \*buf, size\_t nbytes, unsigned int timout)

size\_t      nleft;

ssize\_t     nread;

nleft = nbytes;

while (nleft > 0) \{

if ((nread = tread(fd, buf, nleft, timout)) < 0) \{

if (nleft == nbytes)

return(-1); /\* error, return -1 \*/

else

break;      /\* error, return amount read so far \*/

\} else if (nread == 0) \{

break;          /\* EOF \*/

nleft -= nread;

buf += nread;

return(nbytes - nleft);      /\* return >= 0 \*/

实际应用如：

某个串口通信协议一帧为10个字节，linux 必须接收1帧后去解析该帧的命令。波特率1200 。在linux中必须有个读取一帧数据的函数，该函数不能‘一直等待接收10个字节’，而必须在一定时间内没有收到完整的一帧就放弃该帧，这样才能防止对方发送错误或者通信中的错误带来的问题。 利用treadn()很好的配合该思路的实现。可以定时限为10ms。如果超过10ms（可以设置长点）这treadn()也会返回，这时判断如果实际收到的数据小于10，则丢弃即可。本人用1200的波特率，tv设置成了500us，工作的很好。

最后贴一个经典的串口编程基础：

1.串口操作需要的头文件  
  
\#include <stdio.h>         //标准输入输出定义  
\#include <stdlib.h>        //标准函数库定义  
\#include <unistd.h>       //Unix标准函数定义  
\#include <sys/types.h>  
\#include <sys/stat.h>  
\#include <fcntl.h>          //文件控制定义  
\#include <termios.h>     //POSIX中断控制定义  
\#include <errno.h>        //错误号定义  
  
2.打开串口  
  
串口位于/dev中，可作为标准文件的形式打开，其中：  
串口1 /dev/ttyS0  
串口2 /dev/ttyS1  
代码如下：

int  fd;  
fd = open(“/dev/ ttyS0”, O\_RDWR);  
if(fd == \-1 )  
\{  
    Perror(“串口1打开失败！”);  
\}  
// else  
    //fcntl(fd, F\_SETFL, FNDELAY);

除了使用O\_RDWR标志之外，通常还会使用O\_NOCTTY和O\_NDELAY这两个标志。  
O\_NOCTTY：告诉Unix这个程序不想成为“控制终端”控制的程序，不说明这个标志的话，任何输入都会影响你的程序。  
O\_NDELAY：告诉Unix这个程序不关心DCD信号线状态，即其他端口是否运行，不说明这个标志的话，该程序就会在DCD信号线为低电平时停止。  
  
3.设置波特率  
  
最基本的串口设置包括波特率、校验位和停止位设置，且串口设置主要使用termios.h头文件中定义的termios结构，如下：  
struct termios  
\{  
   tcflag\_t  c\_iflag;   //输入模式标志  
   tcflag\_t  c\_oflag;  //输出模式标志  
   tcflag\_t  c\_cflag;  //控制模式标志  
   tcflag\_t  c\_lflag;   //本地模式标志  
   cc\_t   c\_line;              //line discipline  
   cc\_t   c\_cc\[NCC\];    //control characters  
\}  
代码如下：

int speed\_arr\[\] =  \{ B38400, B19200, B9600, B4800, B2400, B1200, B300, B38400, B19200, B9600, B4800, B2400, B1200, B300, \};  
int name\_arr\[\] = \{ 38400, 19200, 9600, 4800, 2400, 1200, 300, 38400, 19200, 9600, 4800, 2400, 1200, 300 , \};  
  
void SetSpeed(int fd, int  speed)  
\{  
    int  i;  
    struct termios Opt;    //定义termios结构   
   
     if(tcgetattr(fd, &Opt) != 0 )  
    \{  
        perror(“tcgetattr fd”);  
        return ;  
    \}  
    for(i = 0; i < sizeof(speed\_arr) / sizeof(int); i\++ )  
    \{  
        if(speed ==  name\_arr\[i\])  
        \{  
            tcflush(fd, TCIOFLUSH);  
            cfsetispeed(& Opt, speed\_arr\[i\]);  
            cfsetospeed(& Opt, speed\_arr\[i\]);  
            if(tcsetattr(fd, TCSANOW, &Opt) != 0 )  
            \{  
                perror(“tcsetattr fd”);  
                return ;  
            \}  
            tcflush(fd, TCIOFLUSH);  
        \}  
    \}  
\}

注意tcsetattr函数中使用的标志：  
TCSANOW：立即执行而不等待数据发送或者接受完成。  
TCSADRAIN：等待所有数据传递完成后执行。  
TCSAFLUSH：Flush input and output buffers and make the change  
  
 4.设置数据位、停止位和校验位  
  
以下是几个数据位、停止位和校验位的设置方法：（以下均为1位停止位）  
8位数据位、无校验位：  
Opt.c\_cflag &= ~PARENB;  
Opt.c\_cflag &= ~CSTOPB;  
Opt.c\_cflag &= ~CSIZE;  
Opt.c\_cflag |= CS8;  
7位数据位、奇校验：  
Opt.c\_cflag |= PARENB;  
Opt.c\_cflag |= PARODD;  
Opt.c\_cflag &= ~CSTOPB;  
Opt.c\_cflag &= ~CSIZE;  
Opt.c\_cflag |= CS7;  
7位数据位、偶校验：  
Opt.c\_cflag |= PARENB;  
Opt.c\_cflag &= ~PARODD;  
Opt.c\_cflag &= ~CSTOPB;  
Opt.c\_cflag &= ~CSIZE;  
Opt.c\_cflag |= CS7;  
7位数据位、Space校验：  
Opt.c\_cflag &= ~PARENB;  
Opt.c\_cflag &= ~CSTOPB;  
Opt.c\_cflag &= ~CSIZE;  
Opt.c\_cflag |= CS7;  
代码如下：

int SetParity(int fd, int databits, int stopbits, int  parity)  
\{  
    struct  termios Opt;  
    if(tcgetattr(fd, &Opt) != 0 )  
    \{  
        perror("tcgetattr fd" );  
        return  FALSE;  
    \}  
   Opt.c\_cflag |= (CLOCAL | CREAD);        //一般必设置的标志   
   
     switch(databits)        //设置数据位数   
     \{  
    case 7 :  
        Opt.c\_cflag &= ~ CSIZE;  
        Opt.c\_cflag |=  CS7;  
        break ;  
    case 8 :  
        Opt.c\_cflag &= ~ CSIZE;  
        Opt.c\_cflag |=  CS8;  
        berak;  
    default :  
        fprintf(stderr, "Unsupported data size.\\n" );  
        return  FALSE;  
    \}  
  
    switch(parity)            //设置校验位   
     \{  
    case 'n' :  
    case 'N' :  
        Opt.c\_cflag &= ~PARENB;        //清除校验位   
         Opt.c\_iflag &= ~INPCK;        //enable parity checking   
         break ;  
    case 'o' :  
    case 'O' :  
        Opt.c\_cflag |= PARENB;        //enable parity   
         Opt.c\_cflag |= PARODD;        //奇校验   
         Opt.c\_iflag |= INPCK            //disable parity checking   
         break ;  
    case 'e' :  
    case 'E' :  
        Opt.c\_cflag |= PARENB;        //enable parity   
         Opt.c\_cflag &= ~PARODD;        //偶校验   
         Opt.c\_iflag |= INPCK;            //disable pairty checking   
         break ;  
    case 's' :  
    case 'S' :  
        Opt.c\_cflag &= ~PARENB;        //清除校验位   
         Opt.c\_cflag &= ~CSTOPB;        //??????????????   
         Opt.c\_iflag |= INPCK;            //disable pairty checking   
         break ;  
    default :  
        fprintf(stderr, "Unsupported parity.\\n" );  
        return  FALSE;      
    \}  
  
    switch(stopbits)        //设置停止位   
     \{  
    case 1 :  
        Opt.c\_cflag &= ~ CSTOPB;  
        break ;  
    case 2 :  
        Opt.c\_cflag |=  CSTOPB;  
        break ;  
    default :  
        fprintf(stderr, "Unsupported stopbits.\\n" );  
        return  FALSE;  
    \}  
  
    opt.c\_cflag |= (CLOCAL |  CREAD);  
  
    opt.c\_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE |  ISIG);  
   
    opt.c\_oflag &= ~ OPOST;  
    opt.c\_oflag &= ~(ONLCR | OCRNL);    //添加的   
    
    opt.c\_iflag &= ~(ICRNL |  INLCR);  
    opt.c\_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY);    //添加的   
   
    tcflush(fd, TCIFLUSH);  
    Opt.c\_cc\[VTIME\]  = 0;        //设置超时为15sec   
     Opt.c\_cc\[VMIN\] = 0;        //Update the Opt and do it now   
     if(tcsetattr(fd, TCSANOW, &Opt) != 0 )  
    \{  
        perror("tcsetattr fd" );  
        return  FALSE;  
    \}  
  
    return  TRUE;  
\}

5.某些设置项  
  
在第四步中我们看到一些比较特殊的设置，下面简述一下他们的作用。  
c\_cc数组的VSTART和VSTOP元素被设定成DC1和DC3，代表ASCII标准的XON和XOFF字符，如果在传输这两个字符的时候就传不过去，需要把软件流控制屏蔽，即：  
Opt.c\_iflag &= ~ (IXON | IXOFF | IXANY);  
有时候，在用write发送数据时没有键入回车，信息就发送不出去，这主要是因为我们在输入输出时是按照规范模式接收到回车或换行才发送，而更多情况下我们是不必键入回车或换行的。此时应转换到行方式输入，不经处理直接发送，设置如下：  
Opt.c\_lflag &= ~ (ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);  
还存在这样的情况：发送字符0X0d的时候，往往接收端得到的字符是0X0a，原因是因为在串口设置中c\_iflag和c\_oflag中存在从NL-CR和CR-NL的映射，即串口能把回车和换行当成同一个字符，可以进行如下设置屏蔽之：  
Opt.c\_iflag &= ~ (INLCR | ICRNL | IGNCR);  
Opt.c\_oflag &= ~(ONLCR | OCRNL);  
  
 6.读写串口  
  
发送数据方式如下，write函数将返回写的位数或者当错误时为-1。  
char buffer\[1024\];  
int length;  
int nByte;  
nByte = write(fd, buffer, length);  
读取数据方式如下，原始数据模式下每个read函数将返回实际串口收到的字符数，如果串口中没有字符可用，回叫将会阻塞直到以下几种情况：有字符进入；一个间隔计时器失效；错误发送。  
在打开串口成功后，使用fcntl(fd, F\_SETFL, FNDELAY)语句，可以使read函数立即返回而不阻塞。FNDELAY选项使read函数在串口无字符时立即返回且为0。  
char buffer\[1024\];  
int length;  
int readByte;  
readByte = read(fd, buffer, len);  
注意：设置为原始模式传输数据的话，read函数返回的字符数是实际串口收到的字符数。Linux下直接用read读串口可能会造成堵塞，或者数据读出错误，此时可使用tcntl或者select等函数实现异步读取。用select先查询com口，再用read去读就可以避免上述错误。  
  
7.关闭串口  
  
串口作为文件来处理，所以一般的关闭文件函数即可：  
close(fd);  
  
8.例子  
  
这个例子中，需要打开串口1，设置9600波特率、8位数据位、1位停止位以及空校验，之后利用while语句循环判断串口中是否可以读出数据，将串口中数据连续读出后重新写回到串口中。  
该程序可与minicom联合测试。

\#include     <stdio.h>   
\#include      <stdlib.h>    
\#include     <unistd.h>     
\#include     <sys/types.h>   
\#include      <sys/stat.h>   
\#include      <fcntl.h>    
\#include     <termios.h>   
\#include      <errno.h>   
     
main()  
\{  
     int  fd;  
    int  i;  
    int  len;  
    int n = 0 ;        
    char read\_buf\[256 \];  
    char write\_buf\[256 \];  
    struct  termios opt;   
      
    fd = open("/dev/ttyS0", O\_RDWR | O\_NOCTTY);    //默认为阻塞读方式   
     if(fd == \-1 )  
    \{  
        perror("open serial 0\\n" );  
        exit(0 );  
    \}  
  
    tcgetattr(fd, & opt);        
    cfsetispeed(& opt, B9600);  
    cfsetospeed(& opt, B9600);  
      
    if(tcsetattr(fd, TCSANOW, &opt) != 0  )  
    \{       
       perror("tcsetattr error" );  
       return \-1 ;  
    \}  
      
    opt.c\_cflag &= ~ CSIZE;    
    opt.c\_cflag |=  CS8;     
    opt.c\_cflag &= ~ CSTOPB;   
    opt.c\_cflag &= ~ PARENB;   
    opt.c\_cflag &= ~ INPCK;  
    opt.c\_cflag |= (CLOCAL |  CREAD);  
   
    opt.c\_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE |  ISIG);  
   
    opt.c\_oflag &= ~ OPOST;  
    opt.c\_oflag &= ~(ONLCR | OCRNL);    //添加的   
    
    opt.c\_iflag &= ~(ICRNL |  INLCR);  
    opt.c\_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY);    //添加的   
       
    opt.c\_cc\[VTIME\] = 0 ;  
    opt.c\_cc\[VMIN\] = 0 ;  
      
    tcflush(fd, TCIOFLUSH);  
   
    printf("configure complete\\n" );  
      
    if(tcsetattr(fd, TCSANOW, &opt) != 0 )  
    \{  
        perror("serial error" );  
        return \-1 ;  
    \}  
    printf("start send and receive data\\n" );  
    
    while(1 )  
    \{      
        n = 0 ;  
        len = 0 ;  
        bzero(read\_buf, sizeof(read\_buf));    //类似于memset   
         bzero(write\_buf, sizeof (write\_buf));  
   
        while( (n = read(fd, read\_buf, sizeof(read\_buf))) > 0  )  
        \{  
            for(i = len; i < (len \+ n); i\++ )  
            \{  
                write\_buf\[i\] = read\_buf\[i \-  len\];  
            \}  
            len \+=  n;  
        \}  
        write\_buf\[len\] = '\\0' ;  
                
        printf("Len %d \\n" , len);  
        printf("%s \\n" , write\_buf);  
   
        n =  write(fd, write\_buf, len);  
        printf("write %d chars\\n" ,n);  
          
        sleep(2 );  
    \}  
\}

9.附录  
  
c\_cflag用于设置控制参数，除了波特率外还包含以下内容：   
EXTA         External rate clock  
EXTB         External rate clock  
CSIZE         Bit mask for data bits  
CS5         5个数据位  
CS6         6个数据位  
CS7         7个数据位  
CS8         8个数据位  
CSTOPB         2个停止位（清除该标志表示1个停止位  
PARENB         允许校验位  
PARODD         使用奇校验（清除该标志表示使用偶校验）  
CREAD         Enable receiver  
HUPCL         Hangup (drop DTR) on last close  
CLOCAL         Local line – do not change “owner” of port  
LOBLK         Block job control outpu  
c\_cflag标志可以定义CLOCAL和CREAD，这将确保该程序不被其他端口控制和信号干扰，同时串口驱动将读取进入的数据。CLOCAL和CREAD通常总是被是能的。  
  
c\_lflag用于设置本地模式，决定串口驱动如何处理输入字符，设置内容如下：  
ISIG            Enable SIGINTR, SIGSUSP, SIGDSUSP, and SIGQUIT signals   
ICANON         Enable canonical input (else raw)   
XCASE         Map uppercase \\lowercase (obsolete)   
ECHO         Enable echoing of input characters   
ECHOE         Echo erase character as BS-SP-BS   
ECHOK         Echo NL after kill character   
ECHONL         Echo NL   
NOFLSH         Disable flushing of input buffers after interrupt or quit characters   
IEXTEN         Enable extended functions   
ECHOCTL         Echo control characters as ^char and delete as ~?   
ECHOPRT         Echo erased character as character erased   
ECHOKE         BS-SP-BS entire line on line kill   
FLUSHO         Output being flushed   
PENDIN         Retype pending input at next read or input char   
TOSTOP         Send SIGTTOU for background output

c\_iflag用于设置如何处理串口上接收到的数据，包含如下内容：  
INPCK         Enable parity check   
IGNPAR         Ignore parity errors   
PARMRK      Mark parity errors   
ISTRIP         Strip parity bits   
IXON         Enable software flow control (outgoing)   
IXOFF         Enable software flow control (incoming)   
IXANY         Allow any character to start flow again   
IGNBRK         Ignore break condition   
BRKINT         Send a SIGINT when a break condition is detected   
INLCR         Map NL to CR   
IGNCR         Ignore CR   
ICRNL         Map CR to NL   
IUCLC         Map uppercase to lowercase   
IMAXBEL      Echo BEL on input line too long  
  
c\_oflag用于设置如何处理输出数据，包含如下内容：  
OPOST         Postprocess output (not set = raw output)   
OLCUC         Map lowercase to uppercase   
ONLCR         Map NL to CR-NL   
OCRNL         Map CR to NL   
NOCR         No CR output at column 0   
ONLRET      NL performs CR function   
OFILL         Use fill characters for delay   
OFDEL         Fill character is DEL   
NLDLY         Mask for delay time needed between lines   
NL0            No delay for NLs   
NL1            Delay further output after newline for 100 milliseconds   
CRDLY      Mask for delay time needed to return carriage to left column   
CR0            No delay for CRs   
CR1            Delay after CRs depending on current column position   
CR2            Delay 100 milliseconds after sending CRs   
CR3            Delay 150 milliseconds after sending CRs   
TABDLY      Mask for delay time needed after TABs   
TAB0            No delay for TABs   
TAB1         Delay after TABs depending on current column position   
TAB2         Delay 100 milliseconds after sending TABs   
TAB3         Expand TAB characters to spaces   
BSDLY      Mask for delay time needed after BSs   
BS0         No delay for BSs   
BS1         Delay 50 milliseconds after sending BSs   
VTDLY      Mask for delay time needed after VTs   
VT0         No delay for VTs   
VT1         Delay 2 seconds after sending VTs   
FFDLY      Mask for delay time needed after FFs   
FF0         No delay for FFs   
FF1         Delay 2 seconds after sending FFs  
  
c\_cc定义了控制字符，包含以下内容：  
VINTR  Interrupt  CTRL-C   
VQUIT  Quit    CTRL-Z   
VERASE   Erase    Backspace (BS)   
VKILL   Kill-line   CTRL-U   
VEOF   End-of-file   CTRL-D   
VEOL   End-of-line   Carriage return (CR)   
VEOL2   Second    end-of-line Line feed (LF)   
VMIN   Minimum number of characters to read    
VSTART   Start flow   CTRL-Q (XON)   
VSTOP   Stop flow   CTRL-S (XOFF)   
VTIME   Time to wait for data (tenths of seconds)   
  
注意：控制符VTIME和VMIN之间有复杂的关系。VTIME定义要求等待的时间（百毫米，通常是unsigned char变量），而VMIN定义了要求等待的最小字节数（相比之下，read函数的第三个参数指定了要求读的最大字节数）。  
如果VTIME=0，VMIN=要求等待读取的最小字节数，read必须在读取了VMIN个字节的数据或者收到一个信号才会返回。  
如果VTIME=时间量，VMIN=0，不管能否读取到数据，read也要等待VTIME的时间量。  
如果VTIME=时间量，VMIN=要求等待读取的最小字节数，那么将从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。  
如果VTIME=0，VMIN=0，不管能否读取到数据，read都会立即返回。