Linux串口编程详解(阻塞模式、非阻塞模式、select函数)

ninehua 2024-12-08 17:13 34 浏览

前言：之前一直觉得串口编程很简单，这两天仔细研究后发现串口里的各种参数还挺复杂，稍不注意就容易出错，这里总结一下网上的各种文章及自己的理解与实践。

open 函数

功能描述：用于打开或创建文件，成功则返回文件描述符，否则返回-1，open返回的文件描述符一定是最小的未被使用的描述符

#include<fcntl.h>
int open（const char * pathname，int flags）; 
int open（const char * pathname，int flags，mode_t mode）;

嵌入式进阶教程分门别类整理好了，看的时候十分方便，由于内容较多，这里就截取一部分图吧。

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参数flags：一些文件模式选择，有如下几个参数可以设置：

O_RDONLY 只读模式
O_WRONLY 只写模式
O_RDWR 读写模式

上面三个参数在设置的时候必须选择其中一个！下面的参数是可选的：

O_APPEND 每次操作都写入文件的末尾
O_CREAT 如果指定文件不存在，则创建这个文件
O_EXCL 如果要创建的文件已存在，则返回 -1，并且修改 errno 的值
O_TRUNC 如果文件存在，并且以只写/读写的方式打开，则清空文件全部内容
O_NOCTTY 如果路径名指向终端设备，不要把这个设备用作控制终端
O_NONBLOCK 如果路径名指向 FIFO/块文件/字符文件，则把文件的打开和后继 I/O设置为非阻塞模式
O_NDELAY 表示用于设置非阻塞方式。同时通知Linux系统，这个程序不关心DCD信号线所处的状态（端口的另一端是否激活或者停止）。如果用户没有指定这个标志，则进程将会一直处在睡眠状态，直到DCD信号线被激活。

下面三个常量同样是选用的，他们用于同步输入输出：

O_DSYNC 等待物理 I/O 结束后再 write。在不影响读取新写入数据的前提下，不等待文件属性更新
O_RSYNC read等待所有写入同一区域的写操作完成后再进行
O_SYNC 等待物理 I/O 结束后再 write，包括更新文件属性的 I/O

对于串口的打开操作，必须使用O_NOCTTY参数，它表示打开的是一个终端设备，程序不会成为该端口的控制终端。如果不使用此标志，任务的一个输入(比如键盘终止信号等)都会影响进程。

open函数第三个参数mode为可选参数，表示打开文件权限

fcntl 函数

功能描述：根据文件描述词来操作文件的特性，返回-1代表出错

#include<unistd.h>
#include<fcntl.h>
int fcntl(int fd,int cmd);
int fcntl(int fd,int cmd,long arg);
int fcntl(int fd,int cmd,struct flock *lock);

fcntl()函数主要有5种功能：

复制一个现有的描述符(cmd=F_DUPFD/F_DUPFD_CLOEXEC)
获得／设置文件描述符标记(cmd=F_GETFD/F_SETFD)
获得／设置文件状态标记(cmd=F_GETFL/F_SETFL) #常用
获得／设置异步I/O所有权(cmd=F_GETOWN/F_SETOWN)
获得／设置记录锁(cmd=F_GETLK/F_SETLK/F_SETLKW) #常用

F_SETFL ：设置文件状态标志。其中O_RDONLY， O_WRONLY， O_RDWR， O_CREAT， O_EXCL， O_NOCTTY 和 O_TRUNC不受影响，

能更改的标志有 O_APPEND，O_ASYNC， O_DIRECT， O_NOATIME 和 O_NONBLOCK。此函数功能强大，在此不做详细叙述！

串口参数初始化

串口参数由结构体termio设置：

struct termio
{ 
    unsigned short  c_iflag;    /* 输入模式标志 */  
    unsigned short  c_oflag;    /* 输出模式标志 */  
    unsigned short  c_cflag;    /* 控制模式标志*/   
    unsigned short  c_lflag;    /* local mode flags */   
    unsigned char   c_line;     /* line discipline */ 
    unsigned char   c_cc[NCC];  /* control characters */
};

这里列出常见配置：

int  set_port_attr(int fd,int  baudrate, int  databit, const char *stopbit, char parity, int vtime,int vmin )
{
    struct termios opt;
    tcgetattr(fd, &opt);       //获取初始设置
        
    set_baudrate(&opt, baudrate);
    set_data_bit(&opt, databit);
    set_parity(&opt, parity);
    set_stopbit(&opt, stopbit);
        
    opt.c_cflag &= ~CRTSCTS;   // 不使用硬件流控制
    opt.c_cflag |= CLOCAL | CREAD; //CLOCAL--忽略 modem 控制线,本地连线, 不具数据机控制功能, CREAD--使能接收标志 
 
    /*
    IXON--启用输出的 XON/XOFF 流控制
    IXOFF--启用输入的 XON/XOFF 流控制
    IXANY--允许任何字符来重新开始输出
    IGNCR--忽略输入中的回车
    */
    opt.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY);
    opt.c_oflag &= ~OPOST; //启用输出处理
    /*
    ICANON--启用标准模式 (canonical mode)。允许使用特殊字符 EOF, EOL,
        EOL2, ERASE, KILL, LNEXT, REPRINT, STATUS, 和 WERASE，以及按行的缓冲。
    ECHO--回显输入字符
    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
    ISIG--当接受到字符 INTR, QUIT, SUSP, 或 DSUSP 时，产生相应的信号
    */
    opt.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG); 
    opt.c_cc[VMIN] = vmin;   //设置非规范模式下的超时时长和最小字符数：阻塞模式起作用
    opt.c_cc[VTIME] = vtime; //VTIME与VMIN配合使用，是指限定的传输或等待的最长时间 单位：0.1S
        
    tcflush (fd, TCIFLUSH);                 /* TCIFLUSH-- update the options and do it NOW */
    return (tcsetattr (fd, TCSANOW, &opt)); /* TCSANOW--改变立即发生 */
}
 
 
static void set_baudrate(struct termios *opt, unsigned int baudrate)
{
    cfsetispeed(opt, baudrate);
    cfsetospeed(opt, baudrate);
}
 
static void set_stopbit(struct termios *opt, const char *stopbit)
{
    if (0 == strcmp (stopbit, "1")) {
        opt->c_cflag &= ~CSTOPB;                                                           /* 1位停止位t          */
    }else if (0 == strcmp (stopbit, "1.5")) {
        opt->c_cflag &= ~CSTOPB;                                                           /* 1.5位停止位         */
    }else if (0 == strcmp (stopbit, "2")) {
        opt->c_cflag |= CSTOPB;                                                            /* 2 位停止位          */
    }else {
        opt->c_cflag &= ~CSTOPB;                                                           /* 1 位停止位          */
    }
}
 
static void set_data_bit(struct termios *opt, unsigned int databit)
{
    opt->c_cflag &= ~CSIZE;
    switch (databit) {
    case 8:
        opt->c_cflag |= CS8;
    break;
    case 7:
        opt->c_cflag |= CS7;
    break;
    case 6:
        opt->c_cflag |= CS6;
    break;
    case 5:
        opt->c_cflag |= CS5;
    break;
    default:
        opt->c_cflag |= CS8;
    break;
    }
}
 
static void set_parity(struct termios *opt, char parity)
{
    switch (parity) {
    case 'N':                                                                                   /* 无校验          */
    case 'n':
        opt->c_cflag &= ~PARENB;
        break;
    case 'E':                                                                                   /* 偶校验          */
    case 'e':
        opt->c_cflag |= PARENB;
        opt->c_cflag &= ~PARODD;
        break;
    case 'O':                                                                                   /* 奇校验           */
    case 'o':
        opt->c_cflag |= PARENB;
        opt->c_cflag |= ~PARODD;
        break;
    case 'S':
    case 's':
        opt->c_cflag &= ~PARENB;                                                                 /*清除校验位   disable pairty checking Space校验  */
        opt->c_cflag &= ~CSTOPB;        
        opt->c_iflag |= INPCK;   
        break;
    default:                                                                                    /* 其它选择为无校验 */
        opt->c_cflag &= ~PARENB;
        break;
    }
}

阻塞式读写配置

打开时使用：
fd = open(USAR1, O_RDWR | O_NOCTTY );//阻塞式读写
 
打开后使用fcntl函数修改：
fcntl(fd, F_SETFL, 0)；　//设为阻塞

阻塞式读写可设置以下两参数：

opt.c_cc[VMIN] = vmin;   //设置非规范模式下的超时时长和最小字符数：阻塞模式起作用opt.c_cc[VTIME] = vtime; //VTIME与VMIN配合使用，是指限定的传输或等待的最长时间

若 VMIN = 0 ，VTIME = 0 ，函数read未读到任何参数也立即返回，相当于非阻塞模式；
若 VMIN = 0, VTIME > 0 ，函数read读取到数据立即返回，若无数据则等待VTIME时间返回；
若 VMIN > 0, VTIME = 0 ，函数read()只有在读取到VMIN个字节的数据或者收到一个信号的时候才返回；
若 VMIN > 0, VTIME > 0 ，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。

非阻塞式读写配置

打开时使用

open(USAR1, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY );//非阻塞式读写
open(USAR1, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NONBLOCK);//非阻塞式读写
open(USAR1, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY | O_NONBLOCK);//非阻塞式读写

打开后使用fcntl修改设置

fcntl(socket_descriptor, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK)；　//设为非阻塞

O_NONBLOCK和O_NDELAY都是设置为非阻塞模式，但是它们有些差别，O_NDELAY会使I/O函式马上返回0，但是又衍生出一个问题，因为读取到档案结尾时所回传的也是0，这样无法得知是哪中情况；而O_NONBLOCK它在读取不到数据时会回传-1，并且设置errno为EAGAIN。

select函数读写

int select(int nfds, fd_set *rdfds, fd_set *wtfds, fd_set *exfds, struct timeval *timeout)

ndfs：select监视的文件句柄，一般设为要监视的文件中的最大文件号加一；
rdfds：select监视的可读文件句柄集合，当rdfds映象的文件句柄状态变成可读时系统告诉select函数返回。这个集合中有一个文件可读，select就会返回一个大于0的值，表示有文件可读，如果没有可读的文件，则根据timeout参数再判断是否超时，若超出timeout的时间，select返回0，若发生错误返回负值，可以传入NULL值，表示不关心任何文件的读变化；
wtfds: select监视的可写文件句柄集合，当wtfds映象的文件句柄状态变成可写时系统告诉select函数返回，如果这个集合中有一个文件可写，select就会返回一个大于0的值，表示有文件可写，如果没有可写的文件，则根据timeout参数再判断是否超时，若超出timeout的时间，select返回0，若发生错误返回负值，可以传入NULL值，表示不关心任何文件的写变化；
exfds：select监视的异常文件句柄集合，当exfds映象的文件句柄上有特殊情况发生时系统会告诉select函数返回；
timeout：select的超时结束时间，设为0则为阻塞模式，设为大于0的值时若所监视的句柄无状态变化则等待timeout时间后返回0；

配置函数：

FD_ZERO(fd_set *fdset)：清空fdset与所有文件句柄的联系。
FD_SET(int fd, fd_set *fdset)：建立文件句柄fd与fdset的联系。
FD_CLR(int fd, fd_set *fdset)：清除文件句柄fd与fdset的联系。
FD_ISSET(int fd, fdset *fdset)：检查fdset联系的文件句柄fd是否可读写，>0表示可读写。

select函数非常强大,它能同时监测多个对象，只要在注册的对象集中有一个或多个对象被激活就会有反应，所以利用select函数能在一个线程中处理多个等待式操作，这里以多串口阻塞读取为例：

#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <termios.h>
 
#define USAR1  "/dev/ttyS1"
#define USAR2  "/dev/ttyS2"
#define USAR3  "/dev/ttyS3"
#define USAR4  "/dev/ttyS4"
char buf[255] = {0};
 
int set_port_attr (int fd,int  baudrate, int  databit, const char *stopbit, char parity, int vtime,int vmin );
static void set_baudrate (struct termios *opt, unsigned int baudrate);
static void set_data_bit (struct termios *opt, unsigned int databit);
static void set_stopbit (struct termios *opt, const char *stopbit);
static void set_parity (struct termios *opt, char parity);
 
void main()
{
    int fd1,fd2,fd3,fd4;
    int ret;
    int rxlen = 0;
    fd_set rfds;
    struct timeval tv;
    int retval;
 
    fd1 = open(USAR1, O_RDWR | O_NOCTTY );//阻塞式读写             非阻塞| O_NDELAY | O_NONBLOCK
    if (fd1 < 0) 
    {
      perror("open uart1 error\n");
    }
    fd2 = open(USAR2, O_RDWR | O_NOCTTY );//阻塞式读写             非阻塞| O_NDELAY | O_NONBLOCK
    if (fd2 < 0) 
    {
      perror("open uart2 error\n");
    }
    fd3 = open(USAR3, O_RDWR | O_NOCTTY );//阻塞式读写             非阻塞| O_NDELAY | O_NONBLOCK
    if (fd3 < 0) 
    {
      perror("open uart3 error\n");
    }
    fd4 = open(USAR4, O_RDWR | O_NOCTTY );//阻塞式读写             非阻塞| O_NDELAY | O_NONBLOCK
    if (fd4 < 0) 
    {
      perror("open uart4 error\n");
    }
    ret = set_port_attr(fd1, B115200, 8, "1", 'N',1,255 );    /* 115200 8n1      */
    if(ret < 0) 
    {
      printf("set uart1 arrt faile \n");
      exit(-1);
    }
    ret = set_port_attr(fd2, B115200, 8, "1", 'N',1,255 );    /* 115200 8n1      */
    if(ret < 0) 
    {
      printf("set uart2 arrt faile \n");
      exit(-1);
    }
    ret = set_port_attr(fd3, B115200, 8, "1", 'N',1,255 );    /* 115200 8n1      */
    if(ret < 0) 
    {
      printf("set uart3 arrt faile \n");
      exit(-1);
    }
    ret = set_port_attr(fd4, B115200, 8, "1", 'N',1,255 );    /* 115200 8n1      */
    if(ret < 0) 
    {
      printf("set uart4 arrt faile \n");
      exit(-1);
    }
    while(1)
    {
       FD_ZERO(&rfds);
       FD_SET(fd1, &rfds);
       FD_SET(fd2, &rfds);
       FD_SET(fd3, &rfds);
       FD_SET(fd4, &rfds);
    //   tv.tv_sec = 1;                           //in block mode is not used
    //   tv.tv_usec = 0;
       ret = select(fd4 + 1, &rfds, NULL, NULL, NULL);  //block mode
       if(ret > 0)
       {
           if(FD_ISSET(fd1,&rfds))
           {
               rxlen = read(fd1, buf, 255);
               if(rxlen > 0)
               {
                 printf("len = %d\n\r",rxlen);
                 printf("rx:%s\n\r",buf);
                 write(fd1, buf, rxlen);
               }
           }
           if(FD_ISSET(fd2,&rfds))
           {
               rxlen = read(fd2, buf, 255);
               if(rxlen > 0)
               {
                 printf("len = %d\n\r",rxlen);
                 printf("rx:%s\n\r",buf);
                 write(fd2, buf, rxlen);
               }
           }
           if(FD_ISSET(fd3,&rfds))
           {
               rxlen = read(fd3, buf, 255);
               if(rxlen > 0)
               {
                 printf("len = %d\n\r",rxlen);
                 printf("rx:%s\n\r",buf);
                 write(fd3, buf, rxlen);
               }
           }
           if(FD_ISSET(fd4,&rfds))  
           {
               rxlen = read(fd4, buf, 255);
               if(rxlen > 0)
               {
                 printf("len = %d\n\r",rxlen);
                 printf("rx:%s\n\r",buf);
                 write(fd4, buf, rxlen);
               }
           }
       }     
    }
}

此段程序为同时监控4路串口接收状态，将接收的内容直接原路返回，串口采用的是阻塞读取模式，select函数也采用阻塞式读取模式。

原文地址：https://blog.csdn.net/m0_38096844/article/details/90716182?spm=1001.2014.3001.5502

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open 函数

fcntl 函数

串口参数初始化

阻塞式读写配置

非阻塞式读写配置

select函数读写

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