linux串口编程

　　按照对linux系统的理解，串口编程的顺序无非就是open，read，write，close，而串口有波特率、数据位等重要参数需要设置，因此还应该用到设置函数，那么接下来就带着这几个问题去学习linux下的串口编程。

1、open

　　linux串口编程其实也是文件编程，首先要用open函数打开串口设备，获得文件描述符，open函数的简介参照：http://blog.sina.com.cn/s/blog_54f82cc201010oow.html

　　首先需要关心的是需要打开的文件名，它肯定是/dev路径下的某个设备，串口设备一般叫做ttyS*，ttySAC*，ttyUSB*,我以前就知道这些，后来发现竟然还有叫ttyO*的（当时调试的时候看见/dev目录下有ttyS*的，我就不假思索的，理所当然的代码中写的是ttyS*，结果程序运行时这玩意还成功打开了，但设置的时候就出问题，万万没想到啊，当时用的那个平台ttyS*不是串口，相同目录下还有叫ttyO*的文件，那才是串口）。

　　还有i.MX6UL上面的串口是ttymxc*

　　串口设备明显是可读写的，因此传入的第二个参数为O_RDWR。

　　因此打开串口1的操作为：

fd = open("/dev/ttySAC1", O_RDWR);

　　如果得到的fd不等于-1则表示成功打开串口设备了。

　　我在使用过程中遇到过串口无法打开的问题，open返回值为-1。查阅资料后使用命令：sudo chmod 666 /dev/ttyUSB0 修改串口设备权限后就能成功打开了。

　　open函数传入的第二个参数一般会用到O_NOCTTY这个标志，它表示阻止操作系统将打开的文件指定为进程的控制终端,如果没有指定这个标志，那么任何一个输入都将会影响用户的进程。我不知道它具体是怎么影响的，但是最好还是加上这个标志。

　　此外O_NONBLOCK这个标志也比较常用，它表示以非阻塞模式打开文件，当调用read的时候，如果没有数据也会立即返回-1。有些人会用O_NDELAY这个标志，关于这个标志的解释网上就有很多说法了，我看到就有三种说法：

　　1、与O_NONBLOCK一样也是以非阻塞模式打开，但如果没有读取到数据，O_NDELAY返回的是0，而O_NONBLOCK返回的是-1，并且会设置errno为EAGAIN。

　　2、O_NDELAY表示这个程序不关心DCD信号线所处的状态，端口的另一端是否激活或者停止。如果用户不指定了这个标志，则进程将会一直处在睡眠状态，直到DCD信号线被激活。

　　3、与O_NONBLOCK等价。

　　为了探究答案，我在一份linux3.14.38的源代码中搜索，发现这两个标志的值与平台相关。我在Ubuntu中直接用printf打印出来两个标志的值是完全一样的，并且read函数返回的值为都是-1，并不是第一条说的那样O_NDELAY返回的是0。

　　我暂时也没有更多的平台去验证，暂且认为网上的那些说法都是基于作者自己正在使用的平台上说的，而在我使用的Ubuntu中O_NDELAY与O_NONBLOCK是完全相同的。

　　所以打开串口的操作应为下列2句中的一句：

fd = open("/dev/ttySAC1", O_RDWR | O_NOCTTY);
fd = open("/dev/ttySAC1", O_RDWR | O_NOCTTY | O_NONBLOCK);

2、串口设置

　　打开串口设备之后还需要对串口进行设置。使用tcsetattr函数设置串口，函数原型为：

int tcsetattr(int fd, int optional_actions, const struct termios *termios_p);

　　成功返回0，失败返回-1。

　　第一个参数fd表示打开的串口文件描述符。

　　第二个参数optional_actions用于控制修改起作用的时间。可以取下列值：

　　　　TCSANOW：不等数据传输完毕就立即改变属性。
　　　　TCSADRAIN：等待所有数据传输结束才改变属性。
　　　　TCSAFLUSH：清空输入输出缓冲区才改变属性。

　　第三个参数struct termios中包含了串口属性，struct termios定义为：

#define NCCS 19
struct termios {
    tcflag_t c_iflag;        /* input mode flags */
    tcflag_t c_oflag;        /* output mode flags */
    tcflag_t c_cflag;        /* control mode flags */
    tcflag_t c_lflag;        /* local mode flags */
    cc_t c_line;            /* line discipline */
    cc_t c_cc[NCCS];        /* control characters */
};

　　看到这种不认识的数据类型就头大，实际上tcflag_t类型就是unsigned int，而cc_t类型就是unsigned char。

　　由于struct termios里面的成员太多，因此使用tcgetattr函数先获取到原来的属性，然后再修改我们关心的属性。

　　调用tcgetattr函数获取属性，tcgetattr函数原型为：

int tcgetattr(int fd, struct termios *termios_p);

　　成功返回0，失败返回-1。

　　一般来说串口需要关心的属性为：波特率、数据位、校验位、停止位、流控。下面逐一说明这些数据在哪里改。

　　波特率：

　　　　与波特率相关的成员为c_cflag，其中键值（域）CBAUD表示波特率，该域中的位不同的组合表示不同的波特率，表示波特率也用的也是宏，支持的宏及对应的值如下如下：

B0        <==> 0x0000
B50       <==> 0x0001
B75       <==> 0x0002
B110      <==> 0x0003
B134      <==> 0x0004
B150      <==> 0x0005
B200      <==> 0x0006
B300      <==> 0x0007
B600      <==> 0x0008
B1200     <==> 0x0009
B1800     <==> 0x000a
B2400     <==> 0x000b
B4800     <==> 0x000c
B9600     <==> 0x000d
B19200    <==> 0x000e
B38400    <==> 0x000f
B57600    <==> 0x1001
B115200   <==> 0x1002
B230400   <==> 0x1003

　　　　比如将波特率修改为115200的代码就可以这样写：

tcgetattr(fd, &termios_uart);
termios_uart.c_cflag &= ~CBAUD;
termios_uart.c_cflag |= B115200;
tcsetattr(fd, TCSANOW, &termios_uart);

　　　　在linux中提供了专门设置波特率的函数，用cfsetispeed和cfsetospeed设置输入输出波特率，还有一个cfsetspeed函数，它们的函数原型为：

       int cfsetispeed(struct termios *termios_p, speed_t speed);

       int cfsetospeed(struct termios *termios_p, speed_t speed);

       int cfsetspeed(struct termios *termios_p, speed_t speed);

　　　　其speed_t类型其实就是unsigned int类型，其取值也正是CBAUD域中可以选择的数据。

　　　　那么设置波特率的代码就变成了这样：

 

tcgetattr(fd, &termios_uart);
cfsetspeed(&termios_uart, B115200);
tcsetattr(fd, TCSANOW, &termios_uart);

 　　　　但是看到这里会有疑问，c_cflag成员中没有将输入波特率和输出波特率分开，这里为什么会有几个不同的设置波特率的函数，这个问题在另一篇博客中仔细探究。

　　数据位：

　　　　与数据位相关的成员为c_cflag，其中键值（域）CSIZE表示数据位，与波特率的设置一样，该域中的位不同的组合表示不同的数据位，也可以用宏来表示，支持的宏如下：

　　CS5,CS6,CS7,CS8，分别表示数据位为5位、6位、7位、8位。

　　　　将数据位设置为8位就可以这样写：

tcgetattr(fd, &termios_uart);
termios_uart.c_cflag &= ~CSIZE;
termios_uart.c_cflag |= CS8;
tcsetattr(fd, TCSANOW, &termios_uart);

　　校验位：

　　　　c_cflag中键值PARENB置1表示使用奇偶校验，否则表示不使用校验，在PARENB置1的前提下，键值 PARODD置1表示使用奇校验，否则使用偶校验。

　　　　另外在c_iflag中也有与校验相关的位。如下表：

c_iflag中与校验相关的位

IGNPAR	Ignore framing errors and parity errors.
PARMRK	If IGNPAR is not set, prefix a character with a parity error or framing error with \377 \0. If neither IGNPAR nor PARMRK is set, read a character with a par‐ ity error or framing error as \0.
INPCK	Enable input parity checking.
ISTRIP	Strip off eighth bit.

 

 

　　停止位：

　　　　c_cflag中键值CSTOPB置1表示使用2个停止位，否则表示使用1个停止位。

　　流控：

　　　　c_cflag中键值CRTSCTS置1表示使用硬件流控，否则表示不使用硬件流控。

　　　　软件流控则在c_iflag成员中定义，c_iflag成员中和软件流控相关的键值及解释如下：

IXON	Enable software flow control (outgoing)
IXOFF	Enable software flow control (incoming)
IXANY	Allow any character to start flow again

 

　　　　所谓流控指的就是控制数据流的流量，如果当接收端接收不了那么多数据时，发送端还在不断的发数据，这样就会出问题。

　　　　硬件流控就是比如A给B发送数据，他们之间除了一根数据线连接以外还有一根流控线，当B将流控线拉高时A才能像B发送数据，当B将流控线拉低时，A就不能发送数据了。

　　　　软件流控没有专门的流控线，如果串口是全双工的，但是如果当 A给B发送数据的时候B不会给A发送数据，那么B就可以将这根数据线用来发送流控数据，当B想要接受数据时，B给A发送IXON，当B不想接受数据时，B给A发送IXOFF。

　　　　理论上来说硬件流控与软件流控可以同时使用，但一般没人会这么做。

 

 　　其他设置：

　　　　你以为这样就完了吗，这只是按照裸机开发的思维方式的操作步骤，但这是在linux操作系统上的东西，而且struct termios结构中有这么多成员，这些成员肯定都是有用的啊。

　　　　如果这些东西不设置，程序也许能正常运行，那是因为通过tcgetattr函数获取到了一个默认值，而且这个值是会保存的，下次获取到的值是上次设置的值（无论文件是否关闭，程序是否退出），因此写一份比较健全的代码就至关重要了。

　　　　这里举两个例子说明一下其他参数的重要性，如c_lflag中有一个ECHO标志，该标志置位时串口会将收到的数据回传回去，表现就是你给他发什么东西它就会给你回什么东西。

　　　　另外还有一个函数比较重要，那就是tcflush，tcflush函数原型为：int tcflush(int fd, int queue_selector);  queue_selector的取值和意义如下：

TCIFLUSH	刷新数据接收但不读
TCOFLUSH	刷新数据写入但不传输
TCIOFLUSH	刷新数据接收但不读同时刷新数据写入但不传输

　　　　直接翻译过来非常拗口，理解一下就是无论是即将要发送的数据还是即将要接收的数据，都是放在缓冲区里的，TCIFLUSH意思就是数据已经放在缓冲区里了，但是还没有调用read函数去读，那么直接清空读缓冲区，调用read的时候也接收不到数据。TCOFLUSH的意思就是如果调用了write函数，但是实际上数据还没有开始往外发，那么清空写缓冲区，数据也不发了。

　　　　https://www.cnblogs.com/dartagnan/archive/2013/04/25/3042417.html这篇博客中将里面的成员讲解的非常详细。

　　测试程序代码：

 

/*
 * filename: uart.c
 * author: Suzkfly
 * date: 2021-01-16
 * platform: Ubuntu
 * 将USB转串口连接至Ubuntu中，运行程序，能打印串口接收到的数据，也能从终端中获取
 * 数据发送出去。
 * 如果不能成功打开设备，使用则ls /dev/ttyUSB0命令看设备是否存在，若存在，则使用
 * sudo chmod 666 /dev/ttyUSB0 修改文件权限后重新运行程序。
 */

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <termios.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

/**
 * \brief define
 * @{
 */
#define UART_DEV_PATH   "/dev/ttyUSB0"  /**\brief< 定义打开的串口设备路径 */

/**
 * @}
 */

/**
 * \brief 打开串口设备
 *
 * \param[in] p_path：设备路径
 *
 * \retval 成功返回文件描述符，失败返回-1
 */
int uart_open(const char *p_path)
{
    /* O_NOCTTY：阻止操作系统将打开的文件指定为进程的控制终端,如果没有指定这个标
                 志，那么任何一个输入都将会影响用户的进程。 */
    /* O_NONBLOCK：使I/O变成非阻塞模式，调用read如果没有接收到数据则立马返回-1，
            并且设置errno为EAGAIN。*/
    /* O_NDELAY： 与O_NONBLOCK完全相同 */
    return open(p_path, O_RDWR | O_NOCTTY);
}

/**
 * \brief 测试函数，打印struct termios各成员值
 */
static void __print_termios(struct termios *p_termios)
{
    printf("c_iflag = %#010x\n", p_termios->c_iflag);
    printf("c_oflag = %#010x\n", p_termios->c_oflag);
    printf("c_cflag = %#010x\n", p_termios->c_cflag);
    printf("c_lflag = %#010x\n\n", p_termios->c_lflag);
}

/**
 * \brief 设置串口属性
 *
 * \param[in] fd：打开的串口设备的文件描述符
 * \param[in] baudrate：波特率
 *            #{0, 50, 75, 110, 134, 150, 200, 300, 600, 1200, 1800,
 *              2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600, 115200, 230400}
 * \param[in] bits：数据位
 *            #{5, 6, 7, 8}
 * \param[in] parity：校验
 *            #'n'/'N'：无校验
 *            #'o'/'O'：奇校验
 *            #'e','E'：偶校验
 * \param[in] stop：停止位
 *            #1：1个停止位
 *            #2：2个停止位
 * \param[in] flow：流控
 *            #'n'/'N'：不使用流控
 *            #'h'/'H'：使用硬件流控
 *            #'s'/'S'：使用软件流控
 *
 * \retval 成功返回0，失败返回-1，并打印失败原因
 *
 * \note 虽然波特率设置支持这么多值，但并不代表输入表中支持的值波特率就
 *       一定能设置成功。
 */
int uart_set(int fd, int baudrate, int bits, char parity, int stop, char flow)
{
    struct termios termios_uart;
    int ret = 0;
    speed_t uart_speed = 0;

    /* 获取串口属性 */
    memset(&termios_uart, 0, sizeof(termios_uart));
    ret = tcgetattr(fd, &termios_uart);
    if (ret == -1) {
        printf("tcgetattr failed\n");
        return -1;
    }

    //__print_termios(&termios_uart);

    /* 设置波特率 */
    switch (baudrate) {
        case 0:      uart_speed = B0;      break;
        case 50:     uart_speed = B50;     break;
        case 75:     uart_speed = B75;     break;
        case 110:    uart_speed = B110;    break;
        case 134:    uart_speed = B134;    break;
        case 150:    uart_speed = B150;    break;
        case 200:    uart_speed = B200;    break;
        case 300:    uart_speed = B300;    break;
        case 600:    uart_speed = B600;    break;
        case 1200:   uart_speed = B1200;   break;
        case 1800:   uart_speed = B1800;   break;
        case 2400:   uart_speed = B2400;   break;
        case 4800:   uart_speed = B4800;   break;
        case 9600:   uart_speed = B9600;   break;
        case 19200:  uart_speed = B19200;  break;
        case 38400:  uart_speed = B38400;  break;
        case 57600:  uart_speed = B57600;  break;
        case 115200: uart_speed = B115200; break;
        case 230400: uart_speed = B230400; break;
        default: printf("Baud rate not supported\n"); return -1;
    }
    cfsetspeed(&termios_uart, uart_speed);

    /* 设置数据位 */
    switch (bits) {
        case 5:     /* 数据位5 */
            termios_uart.c_cflag &= ~CSIZE;
            termios_uart.c_cflag |= CS5;
        break;

        case 6:     /* 数据位6 */
            termios_uart.c_cflag &= ~CSIZE;
            termios_uart.c_cflag |= CS6;
        break;

        case 7:     /* 数据位7 */
            termios_uart.c_cflag &= ~CSIZE;
            termios_uart.c_cflag |= CS7;
        break;

        case 8:     /* 数据位8 */
            termios_uart.c_cflag &= ~CSIZE;
            termios_uart.c_cflag |= CS8;
        break;

        default:
            printf("Data bits not supported\n");
            return -1;
    }

    /* 设置校验位 */
    switch (parity) {
        case 'n':   /* 无校验 */
        case 'N':
            termios_uart.c_cflag &= ~PARENB;
            termios_uart.c_iflag &= ~INPCK;        /* 禁能输入奇偶校验 */
        break;

        case 'o':   /* 奇校验 */
        case 'O':
            termios_uart.c_cflag |= PARENB;
            termios_uart.c_cflag |= PARODD;
            termios_uart.c_iflag |= INPCK;        /* 使能输入奇偶校验 */
            //termios_uart.c_iflag |= ISTRIP;     /* 除去第八个位（奇偶校验位），如果这么写的话，最高位永远为0 */
            termios_uart.c_iflag &= ~ISTRIP;      
        break;

        case 'e':   /* 偶校验 */
        case 'E':
            termios_uart.c_cflag |= PARENB;
            termios_uart.c_cflag &= ~PARODD;
            termios_uart.c_iflag |= INPCK;        /* 使能输入奇偶校验 */
            //termios_uart.c_iflag |= ISTRIP;     /* 除去第八个位（奇偶校验位），如果这么写的话，最高位永远为0 */
            termios_uart.c_iflag &= ~ISTRIP;      
        break;

        default:
            printf("Parity not supported\n");
            return -1;
    }

    /* 设置停止位 */
    switch (stop) {
        case 1: termios_uart.c_cflag &= ~CSTOPB; break; /* 1个停止位 */
        case 2: termios_uart.c_cflag |= CSTOPB;  break; /* 2个停止位 */
        default: printf("Stop bits not supported\n");
    }

    /* 设置流控 */
    switch (flow) {
        case 'n':
        case 'N':   /* 无流控 */
            termios_uart.c_cflag &= ~CRTSCTS;
            termios_uart.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY);
        break;

        case 'h':
        case 'H':   /* 硬件流控 */
            termios_uart.c_cflag |= CRTSCTS;
            termios_uart.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY);
        break;

        case 's':
        case 'S':   /* 软件流控 */
            termios_uart.c_cflag &= ~CRTSCTS;
            termios_uart.c_iflag |= (IXON | IXOFF | IXANY);
        break;

        default:
            printf("Flow control parameter error\n");
            return -1;
    }

    /* 其他设置 */
    termios_uart.c_cflag |= CLOCAL;    /* 忽略modem（调制解调器）控制线 */
    termios_uart.c_cflag |= CREAD;    /* 使能接收 */

    termios_uart.c_iflag &= ~ICRNL; /* 禁止将输入的CR转换为NL，如果不加这一行的话，串口接收到的0D会变成0A */

    /* 禁能执行定义（implementation-defined）输出处理，意思就是输出的某些特殊数
       据会作特殊处理，如果禁能的话那么就按原始数据输出 */
    termios_uart.c_oflag &= ~OPOST;

    /**
     *  设置本地模式位原始模式
     *  ICANON：规范输入模式，如果设置了那么退格等特殊字符会产生实际动作
     *  ECHO：则将输入字符回送到终端设备
     *  ECHOE：如果ICANON也设置了，那么收到ERASE字符后会从显示字符中擦除一个字符
     *         通俗点理解就是收到退格键后显示内容会往回删一个字符
     *  ISIG：使终端产生的信号起作用。（比如按ctrl+c可以使程序退出）
     */
    termios_uart.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);

    /**
     * 设置等待时间和最小接收字符
     * 这两个值只有在阻塞模式下有意义，也就是说open的时候不能传入O_NONBLOCK，
     * 如果经过了c_cc[VTIME]这么长时间，缓冲区内有数据，但是还没达到c_cc[VMIN]个
     * 数据，read也会返回。而如果当缓冲区内有了c_cc[VMIN]个数据时，无论等待时间
     * 是否到了c_cc[VTIME]，read都会返回，但返回值可能比c_cc[VMIN]还大。如果将
     * c_cc[VMIN]的值设置为0，那么当经过c_cc[VTIME]时间后read也会返回，返回值
     * 为0。如果将c_cc[VTIME]和c_cc[VMIN]都设置为0，那么程序运行的效果与设置
     * O_NONBLOCK类似，不同的是如果设置了O_NONBLOCK，那么在没有数据时read返回-1，
     * 而如果没有设置O_NONBLOCK，那么在没有数据时read返回的是0。
     */
    termios_uart.c_cc[VTIME] = 1;   /* 设置等待时间，单位1/10秒 */
    termios_uart.c_cc[VMIN]  = 1;    /* 最少读取一个字符 */

    tcflush(fd, TCIFLUSH);          /* 清空读缓冲区 */

    /* 写入配置 */
    ret = tcsetattr(fd, TCSANOW, &termios_uart);
    if (ret == -1) {
        printf("tcsetattr failed\n");
    }

    return ret;
}


/**
 * \test
 * @{
 */
int main(int argc, const char *argv[])
{
    int fd = 0;
    int ret = 0;
    int pid = 0;
    char buf[128] = { 0 };
    int len = 0;
    int i = 0;

    /* 打开串口设备 */
    fd = uart_open(UART_DEV_PATH);
    if (fd < 0) {
        printf("open %s failed\n", UART_DEV_PATH);
        return 0;
    }

    /**
     * 配置串口：
     * 波特率：9600
     * 数据位：8
     * 校验  ：无校验
     * 停止位：1
     * 流控  ：无流控
     */
    ret = uart_set(fd, 9600, 8, 'n', 1, 'n');
    if (ret == -1) {
        return 0;
    }

    pid = fork();
    if (pid > 0) {          /* 读数据 */
        while (1) {
            memset(buf, 0, sizeof(buf));
            len = read(fd, buf, sizeof(buf));
            if (len > 0) {
                printf("len: %d\n", len);
                printf("data: ");
#if 0   /* 十六进制打印 */
                for (i = 0; i < len; i++) {
                    printf("%02x ", buf[i]);
                }
                printf("\n\n");
#else   /* 字符串打印 */
                printf("%s\n\n", buf);
#endif
            } else {
                printf("len = %d\n", len);
            }
        }
    } else if (pid == 0) {  /* 写数据 */
        while (1) {
            scanf("%s", buf);
            write(fd, buf, strlen(buf));
        }
    } else {
        printf("fork failed\n");
    }

    return 0;
}

/**
 * @}
 */