Linux之串口編程

一、串口編程的流程分析

打開串口，一般使用 open 函數，打開之后會返回句柄，這個句柄就可以提供給發送和接收函數使用。串口本質上也是字符設備，但是串口是屬于一種比較特殊的字符設備。
初始化串口，串口需要配置波特率，數據位，校驗位等等一系列的參數，初始化的過程掌握了，發送和接收都比較容易實現。雖然初始化比較麻煩，但是無論是在 window 下還是在 linux下，串口的初始化都是很容易找到例程的。個人建議只要能夠讀懂代碼，根據實際需求進行驗證和配置即可。
發送和接收數據，前面提到過串口是屬于字符設備的，可以使用 read 函數和write 函數實現。
關閉，一般使用close函數即可關閉串口。

二、串口編程的實例

1、打開串口

先來學習一下如何打開串口，在幾乎所有的 Linux 系統中，在 dev 目錄下都會有 tty的設備節點，如下圖所示，啟動開發板，在超級終端中，進入 dev 目錄，輸入查找命令“ls tty”。

如上圖所示，有多種形式的設備節點，在 4412 開發板中，設備節點使用的是 ttySAC*系列，即 ttySAC0，ttySAC1，ttySAC2，ttySAC3。
以“ttySAC3”為例

fd = open(uart3,O_RDWR|O_CREAT,0777);

2、串口初始化參數介紹

串口編程的最大的難度就是初始化，用的參數非常多。
大家可能查看過網上一些關于串口的資料以及歷史，由于串口的設計之初太過于復雜了，但是到了實際應用中，兩線的串口（tx/rx）應用卻是最廣泛的。在實際應用中幾乎很少看到有多線的，即使復雜一點也最多是添加一根流控。
本節內容將直接介紹應用中最多的一套初始化代碼。這套代碼盡量貼近實際，以后應用的時候，要是傳輸的協議一樣，可以直接拿來使用，不一樣稍微修改一下參數的配置就能夠通信。
串口常用參數包括串口號、波特率、數據位、停止位，校驗位、流控。

2.1、Linux內核源碼有關串口參數的結構體

如下圖所示，使用 source insight 打開內核源碼，串口的初始化最終要將參數傳遞到內核中的，搜索“termios.h”，如下所示。

如上圖所示，打開“arch\arm\include\asm”目錄下的“termios.h”頭文件。
如下圖所示，可以看到這個 termio 結構體的定義。

分析一下上圖中幾個常用的參數。
成員 tcflag_t c_iflag：輸入模式標志
成員 tcflag_t c_oflag：輸出模式標志
成員 tcflag_t c_cflag：控制模式標志
成員 tcflag_t c_lflag：本地模式標志
成員 cc_t c_line：line discipline
成員 cc_t c_cc[NCC]：control characters

2.2、 串口的初始化常用函數介紹

在介紹了上面的結構體之后，接著看一下初始化的幾個函數以及用法。
在給串口初始化之前必須讀取串口的句柄，也就是先要使用 open 函數。

2.2.1、函數 tcgetattr

函數 tcgetattr 用于讀取當前串口的參數值，在實際應用中，一般用于先確認該串口是否能夠配置，做檢測用。
需要用到頭文件 “#include <termios.h>”和“#include <unistd.h>”。
函數原型為

int tcgetattr(int fd, struct termios *termios_p)。
//參數 1：fd 是 open 返回的文件句柄。
//參數 2：*termios_p 是前面介紹的結構體。

使用這個函數前可以先定義一個 termios 結構體，用于存儲舊的參數。

2.2.2、 波特率相關的函數

函數 cfsetispeed 和 cfsetospeed 用于修改串口的波特率，函數 cfgetispeed 和cfgetospeed 可以用于獲取當前波特率。在實際應用中，這個經常需要用到，例如修改默認的波特率。
波特率相關的函數需要用到頭文件“#include <termios.h>”和“#include <unistd.h>”。
先介紹設置波特率的函數。
設置輸入波特率函數原型

int cfsetispeed(struct termios *termios_p, speed_t speed);
//參數 1：*termios_p 是前面介紹的結構體。
//參數 2：speed 波特率，常用的 B2400，B4800，B9600，B115200，B460800 等等。
//執行成功返回 0，失敗返回-1

設置輸出波特率函數原型

int cfsetospeed(struct termios *termios_p, speed_t speed);
//參數 1：*termios_p 是前面介紹的結構體。
//參數 2：speed 波特率，常用的 B2400，B4800，B9600，B115200，B460800 等等。
//執行成功返回 0，失敗返回-1

下面介紹獲取波特率的函數。
獲取輸入波特率函數原型為

speed_t cfgetispeed(const struct termios *termios_p)。
//用于讀取當前串口輸入的波特率。
//參數 1：*termios_p 是前面介紹的結構體。
//返回值為 speed_t。

獲取輸出波特率函數原型為

speed_t cfgetospeed(const struct termios *termios_p)。
//這個函數用于讀取當前輸出的波特率。
//參數 1：*termios_p 是前面介紹的結構體。
//返回值為 speed_t 類型，當前波特率。

2.2.3、 函數 tcflush

函數 tcflush 用于清空串口中沒有完成的輸入或者輸出數據。在接收或者發送數據的時候，串口寄存器會緩存數據，這個函數用于清除這些數據。
原型為

int tcflush(int fd, int queue_selector);
//參數 1：fd 是 open 返回的文件句柄。
//參數 2：控制 tcflush 的操作。
//有三個常用數值，TCIFLUSH 清除正收到的數據，且不會讀取出來；
//TCOFLUSH 清除正寫入的數據，且不會發送至終端；
//TCIOFLUSH 清除所有正在發生的 I/O 數據。
//執行成功返回 0，失敗返回-1

2.2.4、函數 tcsetattr

前面介紹了讀取串口配置參數的函數，tcsetattr 函數是設置參數的函數。一般在初始化最后會使用這個函數。
原型為

int tcsetattr(int fd, int optional_actions,const struct termios *termios_p);
//參數 1：fd 是 open 返回的文件句柄。
//參數 2：optional_actions 是參數生效的時間。
//有三個常用的值：
//TCSANOW：不等數據傳輸完畢就立即改變屬性；
//TCSADRAIN：等待所有數據傳輸結束才改變屬性；
//TCSAFLUSH：清空輸入輸出緩沖區才改變屬性。
//參數 3：*termios_p 在舊的參數基礎上修改的后的參數。
//執行成功返回 0，失敗返回-1

2.2.5、對于其他函數

在串口中還有其它的參數需要了解，其它的函數需要學習。
大家在 linux 下使用串口的時候，如果有其它的參數需要配置，可以在網上搜索相關的資料，那樣針對性更強，有的放矢，效率更高。
前面的參數和設置已經可以對付大部分實際應用場景了。

2.3、串口參數初始化流程分析

如下圖所示，是串口初始化的流程圖。

代碼如下：

int set_opt(int fd,int nSpeed, int nBits, char nEvent, int nStop)
{
    //定義結構體 newtio 和 oldtio。
	struct termios newtio,oldtio;
	//獲取當前串口狀態
	if  ( tcgetattr( fd,&oldtio)  !=  0) { 
		perror("SetupSerial 1");
		return -1;
	}
	//接著將 newtio 清零和設置標志位 c_cflag
	bzero( &newtio, sizeof( newtio ) );
	newtio.c_cflag  |=  CLOCAL | CREAD;
	newtio.c_cflag &= ~CSIZE;

	switch( nBits )
	{
	case 7:
		newtio.c_cflag |= CS7;
		break;
	case 8:
		newtio.c_cflag |= CS8;
		break;
	}

	switch( nEvent )
	{
	case 'O':
		newtio.c_cflag |= PARENB;
		newtio.c_cflag |= PARODD;
		newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);
		break;
	case 'E': 
		newtio.c_iflag |= (INPCK | ISTRIP);
		newtio.c_cflag |= PARENB;
		newtio.c_cflag &= ~PARODD;
		break;
	case 'N':  
		newtio.c_cflag &= ~PARENB;
		break;
	}
	//接著設置波特率
	switch( nSpeed )
	{
	case 2400:
		cfsetispeed(&newtio, B2400);
		cfsetospeed(&newtio, B2400);
		break;
	case 4800:
		cfsetispeed(&newtio, B4800);
		cfsetospeed(&newtio, B4800);
		break;
	case 9600:
		cfsetispeed(&newtio, B9600);
		cfsetospeed(&newtio, B9600);
		break;
	case 115200:
		cfsetispeed(&newtio, B115200);
		cfsetospeed(&newtio, B115200);
		break;
	case 460800:
		cfsetispeed(&newtio, B460800);
		cfsetospeed(&newtio, B460800);
		break;
	default:
		cfsetispeed(&newtio, B9600);
		cfsetospeed(&newtio, B9600);
		break;
	}
	//接著設置停止位
	if( nStop == 1 )
		newtio.c_cflag &=  ~CSTOPB;
	else if ( nStop == 2 )
	newtio.c_cflag |=  CSTOPB;
	newtio.c_cc[VTIME]  = 0;
	newtio.c_cc[VMIN] = 0;
	tcflush(fd,TCIFLUSH);
	//最后配置參數
	if((tcsetattr(fd,TCSANOW,&newtio))!=0)
	{
		perror("com set error");
		return -1;
	}
//	printf("set done!\n\r");
	return 0;
}

3、串口發送

本節實驗演示串口的發送。
這里提醒一下，在學習中用到的超級終端，里面的打印信息，本質上是用于 linux 的調試的，類似在開發環境的 Ubuntu 下的終端。那個串口已經被內核占用了，不能直接用于本章的實驗的調用，只能作為一個輔助調試的手段。
如果最終的產品串口不夠，可以使用 usb 轉串口，或者將調試的控制臺屏蔽掉即可。內核經過處理之后才能作為串口使用。
串口發送類似文件操作，非常簡單。使用 write 函數即可，三個參數分別是句柄，傳輸的buffer 以及，傳輸的長度。這個函數前面介紹文件 IO 的時候已經介紹過了，這里就不再重復。
源碼文件名為“uartwrite.c”。具體代碼如下：

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

int set_opt(int,int,int,char,int);
void main()
{
	int fd,wr_static,i=10;
	char *uart3 = "/dev/ttySAC3";
	char *buffer = "hello world!\n";
	
	printf("\r\nitop4412 uart3 writetest start\r\n");
	
	if((fd = open(uart3, O_RDWR|O_NOCTTY|O_NDELAY))<0){
		printf("open %s is failed",uart3);
	}
	else{
		printf("open %s is success\n",uart3);
		set_opt(fd, 115200, 8, 'N', 1); 
		while(i--)
		{
			wr_static = write(fd,buffer, strlen(buffer));
			if(wr_static<0)
				printf("write failed\n");
			else{
				printf("wr_static is %d\n",wr_static);
			}
			sleep(1);
		}
	}
	close(fd);
}

如上圖所示，運行代碼之后，可觀察到如下現象。
控制臺打印“itop4412 uart3 writetest start”。
控制臺打印“open %s is success\n”。
接著打印 i=10 次的"hello world!\n"。
打印的同時控制臺會打印“wr_static is %d”。
另外，如果其它打開設備之類的操作出錯，會打印對應的錯誤。

4、串口接收

串口接收使用 read 函數，在文件 io 中已經介紹過了。具體代碼如下：

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

int set_opt(int,int,int,char,int);
//"/dev/ttySAC3"是con2，靠近耳機接口的串口
void main()
{
	int fd,nByte;
	char *uart3 = "/dev/ttySAC3";
	char buffer[512];
	char *uart_out = "please input\r\n";
	memset(buffer, 0, sizeof(buffer));
	if((fd = open(uart3, O_RDWR|O_NOCTTY))<0)
		printf("open %s is failed",uart3);
	else{
		set_opt(fd, 115200, 8, 'N', 1);
		write(fd,uart_out, strlen(uart_out));
		while(1){
			while((nByte = read(fd, buffer, 512))>0){
				buffer[nByte+1] = '\0';			
				write(fd,buffer,strlen(buffer));
				memset(buffer, 0, strlen(buffer));
				nByte = 0;
			}
		}
	}
}