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Linux下应用层操作UART的四种方式

作者: 良许 211阅读 0评论

串口文件

在Linux系统中，为了方便用户访问所有的周边设备，系统提供了相应的设备文件。如果需要使用串口，只需打开对应的设备文件即可进行访问。

在Linux系统中，串口文件通常位于 /dev 目录下。常见的串口文件命名如下：

  • COM1串口对应 /dev/ttyS0
  • COM2串口对应 /dev/ttyS1

或者，如果是USB串口：

  • COM1串口对应 /dev/ttyUSB0
  • COM2串口对应 /dev/ttyUSB1

通过以上设备文件，用户可以轻松地进行串口访问。

如果需要查询系统中可用的串口，可以使用以下命令：

~$ ls /dev/ttyS*
/dev/ttyS0   /dev/ttyS12  /dev/ttyS16  /dev/ttyS2   /dev/ttyS23  /dev/ttyS27  /dev/ttyS30  /dev/ttyS6
/dev/ttyS1   /dev/ttyS13  /dev/ttyS17  /dev/ttyS20  /dev/ttyS24  /dev/ttyS28  /dev/ttyS31  /dev/ttyS7
/dev/ttyS10  /dev/ttyS14  /dev/ttyS18  /dev/ttyS21  /dev/ttyS25  /dev/ttyS29  /dev/ttyS4   /dev/ttyS8
/dev/ttyS11  /dev/ttyS15  /dev/ttyS19  /dev/ttyS22  /dev/ttyS26  /dev/ttyS3   /dev/ttyS5   /dev/ttyS9
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方法1：轮询

\1. 打开串口

fd = open(port, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);
if (fd == -1) 
{
    perror("open_port: Unable to open serial port");
    return -1;
}

\2. 配置串口

 tcgetattr(fd, &options);
cfsetispeed(&options, B115200);
cfsetospeed(&options, B115200);
options.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD);
options.c_cflag &= ~PARENB;
options.c_cflag &= ~CSTOPB;
options.c_cflag &= ~CSIZE;
options.c_cflag |= CS8;
options.c_cflag &= ~CRTSCTS;
tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);

其中，tcgetattr 和 tcsetattr 函数用于获取和设置串口参数。cfsetispeed 和 cfsetospeed 函数用于设置串口的输入和输出波特率，这里设置为 115200。options.c_cflag 表示控制标志位，用于配置串口控制参数，具体含义如下：

  • CLOCAL：忽略调制解调器的状态线，只允许本地使用串口。
  • CREAD：允许从串口读取数据。
  • PARENB：启用奇偶校验。&= ~PARENB则为禁用校验。
  • CSTOPB：使用两个停止位而不是一个。&= ~CSTOPB停止位为1。
  • CSIZE：表示字符长度的位掩码。在这里设置为 0，表示使用默认的 8 位数据位。
  • CS8：表示使用 8 位数据位。
  • CRTSCTS：启用硬件流控制，即使用 RTS 和 CTS 状态线进行流控制。

在示例程序中，我们将 CLOCAL 和 CREAD 标志位置为 1，表示允许本地使用串口，并允许从串口读取数据。我们将 PARENB、CSTOPB 和 CRTSCTS 标志位都设置为 0，表示不启用奇偶校验、使用一个停止位和禁用硬件流控制。最后，我们将 CSIZE 标志位设置为 0，然后将 CS8 标志位设置为 1，以表示使用 8 位数据位。

\3. 读写

read(fd, buf, sizeof(buf)); // 返回接收个数
write(fd, buf, strlen(buf)); // 返回发送长度,负值表示发送失败

\4. 关闭串口

close(fd);

完整示例

int open_port(const char *port)
{
    int fd;
    struct termios options;

    // 打开串口设备
    fd = open(port, O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);
    if (fd == -1) {
        perror("open_port: Unable to open serial port");
        return -1;
    }

    // 配置串口参数
    tcgetattr(fd, &options);
    cfsetispeed(&options, B115200);
    cfsetospeed(&options, B115200);
    options.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD);
    options.c_cflag &= ~PARENB;
    options.c_cflag &= ~CSTOPB;
    options.c_cflag &= ~CSIZE;
    options.c_cflag |= CS8;
    options.c_cflag &= ~CRTSCTS;
    tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);

    return fd;
}

int main()
{
    int fd;
    char buf[255];
    int n;

    // 打开串口设备
    fd = open_port("/dev/ttyUSB0");
    if (fd == -1) {

        printf("open err\n");
        exit(1);
    }
    while (1)
    {
        // 读取串口数据
        n = read(fd, buf, sizeof(buf));
        if (n > 0) {
            printf("Received: %.*s\n", n, buf);
        }

        // 发送串口数据
        strcpy(buf, "Hello, world!\n");
        n = write(fd, buf, strlen(buf));
        if (n "write failed\n");
        }
        usleep(10 * 1000);
    }

    // 关闭串口设备
    close(fd);
    printf("close uart\n");

    return 0;
}

方法2：中断读取示例

上面给出的串口示例是使用轮询的方式读取串口数据，这种方式在某些场景下可能会占用大量 CPU 资源。实际上，对于 Linux 系统来说，还可以使用中断方式接收串口数据，这样可以大大减少 CPU 的占用率，并且能够更快地响应串口数据。

要使用中断方式接收串口数据，可以使用 select 函数来监听串口文件描述符的可读事件。当串口数据可读时，select 函数将返回，并且可以调用 read 函数来读取串口数据。这种方式可以避免轮询操作，只有在串口数据可读时才会执行读取操作，因此能够减少 CPU 的占用率。

以下是一个简单的使用中断方式接收串口数据的示例程序：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int main() {
    int fd;
    struct termios options;
    fd_set rfds;

    // 打开串口设备
    fd = open("/dev/ttyUSB0", O_RDWR | O_NOCTTY);
    if (fd "open");
        return -1;
    }

    // 配置串口参数
    tcgetattr(fd, &options);
    options.c_cflag = B9600 | CS8 | CLOCAL | CREAD;
    options.c_iflag = IGNPAR;
    options.c_oflag = 0;
    options.c_lflag = 0;
    options.c_cc[VTIME] = 0;
    options.c_cc[VMIN] = 1;
    tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);

    while (1) {
        // 使用 select 函数监听串口文件描述符的可读事件
        FD_ZERO(&rfds);
        FD_SET(fd, &rfds);
        select(fd + 1, &rfds, NULL, NULL, NULL);

        // 读取串口数据
        char buf[256];
        int n = read(fd, buf, sizeof(buf));
        if (n > 0) {
            printf("Received data: %.*s\n", n, buf);
        }
    }

    // 关闭串口设备
    close(fd);

    return 0;
}

需要注意的是，在使用中断方式接收串口数据时，需要对串口文件描述符设置为非阻塞模式，以便在 select 函数返回时立即读取串口数据。可以使用 fcntl 函数来设置文件描述符的标志位，如下所示：

// 设置串口文件描述符为非阻塞模式
int flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0);
fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

方法3：信号的方式接收数据

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

int fd;

void sigio_handler(int sig) {
    char buf[256];
    int n = read(fd, buf, sizeof(buf));
    if (n > 0) {
        printf("Received data: %.*s\n", n, buf);
    }
}

int main() {
    struct termios options;
    struct sigaction sa;

    // 打开串口设备
    fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR | O_NOCTTY);
    if (fd "open");
        return -1;
    }

    // 配置串口参数
    tcgetattr(fd, &options);
    options.c_cflag = B9600 | CS8 | CLOCAL | CREAD;
    options.c_iflag = IGNPAR;
    options.c_oflag = 0;
    options.c_lflag = 0;
    options.c_cc[VTIME] = 0;
    options.c_cc[VMIN] = 1;
    tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);

    // 设置串口文件描述符为异步通知模式
    /* 将串口文件描述符设置为当前进程的拥有者，从而接收该文件描述符相关的信号。*/
    fcntl(fd, F_SETOWN, getpid()); 
    int flags = fcntl(fd, F_GETFL, 0); // 先获取当前配置, 下面只更改O_ASYNC标志
    /* 将串口文件描述符设置为非阻塞模式，从而允许该文件描述符异步地接收数据和信号。*/
    fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_ASYNC);

    // 设置 SIGIO 信号的处理函数
    sa.sa_handler = sigio_handler;
    sigemptyset(&sa.sa_mask);
    sa.sa_flags = 0;
    /* 设置了 SIGIO 信号的处理函数为 sigio_handler，从而在该信号被触发时读取串口数据并进行处理。*/
    sigaction(SIGIO, &sa, NULL);

    while (1) {
        // 等待 SIGIO 信号
        sleep(1);
    }

    // 关闭串口设备
    close(fd);

    return 0;
}

上述代码中，使用了 fcntl 函数将串口文件描述符设置为异步通知模式，并使用 SIGIO 信号来通知程序串口数据已经可读。当程序接收到 SIGIO 信号时，会调用 sigio_handler 函数来读取并处理串口数据。

在这段代码中，**sigemptyset(&sa.sa_mask);**的作用是将信号处理函数在执行时要屏蔽的信号集合清空，即将其设置为空集。

每个进程都有一个信号屏蔽字，它表示了当前被阻塞的信号集合。当一个信号被阻塞时，它将被加入到信号屏蔽字中，而当信号被解除阻塞时，它将被从信号屏蔽字中移除。如果信号处理函数在执行时需要屏蔽其他的信号，则可以使用sigaddset等函数将需要屏蔽的信号添加到信号屏蔽字中。但是，在本例中，我们需要处理的信号是SIGIO，它通常不需要被屏蔽，因此我们使用sigemptyset函数将信号屏蔽字清空，以确保在处理SIGIO信号时不会屏蔽任何其他信号。

在Linux系统中，使用sigaction函数注册信号处理函数时，可以设置一些标志来指定信号处理的行为。例如，可以使用SA_RESTART标志来指定当系统调用被信号中断时自动重启该系统调用。在本例中，由于我们并不需要设置任何标志，因此将sa.sa_flags字段设置为0即可。这表示信号处理函数不需要任何特殊的行为，只需要按照默认的方式处理信号即可。

方法4：使用线程接收串口数据：

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

void *read_thread(void *arg) {
    int fd = *(int *)arg;
    char buf[256];
    int n;

    while (1) {
        // 读取串口数据
        n = read(fd, buf, sizeof(buf));
        if (n > 0) {
            printf("Received data: %.*s\n", n, buf);
        }
    }

    return NULL;
}

int main() {
    int fd;
    struct termios options;
    pthread_t tid;

    // 打开串口设备
    fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR | O_NOCTTY);
    if (fd "open");
        return -1;
    }

    // 配置串口参数
    tcgetattr(fd, &options);
    options.c_cflag = B9600 | CS8 | CLOCAL | CREAD;
    options.c_iflag = IGNPAR;
    options.c_oflag = 0;
    options.c_lflag = 0;
    options.c_cc[VTIME] = 0;
    options.c_cc[VMIN] = 1;
    tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);

    // 创建读取线程
    if (pthread_create(&tid, NULL, read_thread, &fd) != 0) {
        perror("pthread_create");
        return -1;
    }

    while (1) {
        // 主线程的其他处理逻辑
        sleep(1);
    }

    // 关闭串口设备
    close(fd);

    return 0;
}

上述代码中，创建了一个读取线程，不断读取串口数据并进行处理。主线程可以在读取线程运行的同时进行其他处理逻辑。

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良许

作者: 良许

良许，世界500强企业Linux开发工程师，公众号【良许Linux】的作者，全网拥有超30W粉丝。个人标签：创业者，CSDN学院讲师，副业达人，流量玩家，摄影爱好者。
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