Linux之串口编程

一、串口编程的流程分析

打开串口，一般使用 open 函数，打开之后会返回句柄，这个句柄就可以提供给发送和接收函数使用。串口本质上也是字符设备，但是串口是属于一种比较特殊的字符设备。
初始化串口，串口需要配置波特率，数据位，校验位等等一系列的参数，初始化的过程掌握了，发送和接收都比较容易实现。虽然初始化比较麻烦，但是无论是在 window 下还是在 linux下，串口的初始化都是很容易找到例程的。个人建议只要能够读懂代码，根据实际需求进行验证和配置即可。
发送和接收数据，前面提到过串口是属于字符设备的，可以使用 read 函数和write 函数实现。
关闭，一般使用close函数即可关闭串口。

二、串口编程的实例

1、打开串口

先来学习一下如何打开串口，在几乎所有的 Linux 系统中，在 dev 目录下都会有 tty的设备节点，如下图所示，启动开发板，在超级终端中，进入 dev 目录，输入查找命令“ls tty”。

如上图所示，有多种形式的设备节点，在 4412 开发板中，设备节点使用的是 ttySAC*系列，即 ttySAC0，ttySAC1，ttySAC2，ttySAC3。
以“ttySAC3”为例

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

2、串口初始化参数介绍

串口编程的最大的难度就是初始化，用的参数非常多。
大家可能查看过网上一些关于串口的资料以及历史，由于串口的设计之初太过于复杂了，但是到了实际应用中，两线的串口（tx/rx）应用却是最广泛的。在实际应用中几乎很少看到有多线的，即使复杂一点也最多是添加一根流控。
本节内容将直接介绍应用中最多的一套初始化代码。这套代码尽量贴近实际，以后应用的时候，要是传输的协议一样，可以直接拿来使用，不一样稍微修改一下参数的配置就能够通信。
串口常用参数包括串口号、波特率、数据位、停止位，校验位、流控。

2.1、Linux内核源码有关串口参数的结构体

如下图所示，使用 source insight 打开内核源码，串口的初始化最终要将参数传递到内核中的，搜索“termios.h”，如下所示。

如上图所示，打开“arch\arm\include\asm”目录下的“termios.h”头文件。
如下图所示，可以看到这个 termio 结构体的定义。

分析一下上图中几个常用的参数。
成员 tcflag_t c_iflag：输入模式标志
成员 tcflag_t c_oflag：输出模式标志
成员 tcflag_t c_cflag：控制模式标志
成员 tcflag_t c_lflag：本地模式标志
成员 cc_t c_line：line discipline
成员 cc_t c_cc[NCC]：control characters

2.2、 串口的初始化常用函数介绍

在介绍了上面的结构体之后，接着看一下初始化的几个函数以及用法。
在给串口初始化之前必须读取串口的句柄，也就是先要使用 open 函数。

2.2.1、函数 tcgetattr

函数 tcgetattr 用于读取当前串口的参数值，在实际应用中，一般用于先确认该串口是否能够配置，做检测用。
需要用到头文件 “#include <termios.h>”和“#include <unistd.h>”。
函数原型为

int tcgetattr(int fd, struct termios *termios_p)。
//参数 1：fd 是 open 返回的文件句柄。
//参数 2：*termios_p 是前面介绍的结构体。

使用这个函数前可以先定义一个 termios 结构体，用于存储旧的参数。

2.2.2、 波特率相关的函数

函数 cfsetispeed 和 cfsetospeed 用于修改串口的波特率，函数 cfgetispeed 和cfgetospeed 可以用于获取当前波特率。在实际应用中，这个经常需要用到，例如修改默认的波特率。
波特率相关的函数需要用到头文件“#include <termios.h>”和“#include <unistd.h>”。
先介绍设置波特率的函数。
设置输入波特率函数原型

int cfsetispeed(struct termios *termios_p, speed_t speed);
//参数 1：*termios_p 是前面介绍的结构体。
//参数 2：speed 波特率，常用的 B2400，B4800，B9600，B115200，B460800 等等。
//执行成功返回 0，失败返回-1

设置输出波特率函数原型

int cfsetospeed(struct termios *termios_p, speed_t speed);
//参数 1：*termios_p 是前面介绍的结构体。
//参数 2：speed 波特率，常用的 B2400，B4800，B9600，B115200，B460800 等等。
//执行成功返回 0，失败返回-1

下面介绍获取波特率的函数。
获取输入波特率函数原型为

speed_t cfgetispeed(const struct termios *termios_p)。
//用于读取当前串口输入的波特率。
//参数 1：*termios_p 是前面介绍的结构体。
//返回值为 speed_t。

获取输出波特率函数原型为

speed_t cfgetospeed(const struct termios *termios_p)。
//这个函数用于读取当前输出的波特率。
//参数 1：*termios_p 是前面介绍的结构体。
//返回值为 speed_t 类型，当前波特率。

2.2.3、 函数 tcflush

函数 tcflush 用于清空串口中没有完成的输入或者输出数据。在接收或者发送数据的时候，串口寄存器会缓存数据，这个函数用于清除这些数据。
原型为

int tcflush(int fd, int queue_selector);
//参数 1：fd 是 open 返回的文件句柄。
//参数 2：控制 tcflush 的操作。
//有三个常用数值，TCIFLUSH 清除正收到的数据，且不会读取出来；
//TCOFLUSH 清除正写入的数据，且不会发送至终端；
//TCIOFLUSH 清除所有正在发生的 I/O 数据。
//执行成功返回 0，失败返回-1

2.2.4、函数 tcsetattr

前面介绍了读取串口配置参数的函数，tcsetattr 函数是设置参数的函数。一般在初始化最后会使用这个函数。
原型为

int tcsetattr(int fd, int optional_actions,const struct termios *termios_p);
//参数 1：fd 是 open 返回的文件句柄。
//参数 2：optional_actions 是参数生效的时间。
//有三个常用的值：
//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。
//参数 3：*termios_p 在旧的参数基础上修改的后的参数。
//执行成功返回 0，失败返回-1

2.2.5、对于其他函数

在串口中还有其它的参数需要了解，其它的函数需要学习。
大家在 linux 下使用串口的时候，如果有其它的参数需要配置，可以在网上搜索相关的资料，那样针对性更强，有的放矢，效率更高。
前面的参数和设置已经可以对付大部分实际应用场景了。

2.3、串口参数初始化流程分析

如下图所示，是串口初始化的流程图。

代码如下：

int set_opt(int fd,int nSpeed, int nBits, char nEvent, int nStop)
{
    //定义结构体 newtio 和 oldtio。
	struct termios newtio,oldtio;
	//获取当前串口状态
	if  ( tcgetattr( fd,&oldtio)  !=  0) { 
		perror("SetupSerial 1");
		return -1;
	}
	//接着将 newtio 清零和设置标志位 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;
	}
	//接着设置波特率
	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;
	}
	//接着设置停止位
	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);
	//最后配置参数
	if((tcsetattr(fd,TCSANOW,&newtio))!=0)
	{
		perror("com set error");
		return -1;
	}
//	printf("set done!\n\r");
	return 0;
}

3、串口发送

本节实验演示串口的发送。
这里提醒一下，在学习中用到的超级终端，里面的打印信息，本质上是用于 linux 的调试的，类似在开发环境的 Ubuntu 下的终端。那个串口已经被内核占用了，不能直接用于本章的实验的调用，只能作为一个辅助调试的手段。
如果最终的产品串口不够，可以使用 usb 转串口，或者将调试的控制台屏蔽掉即可。内核经过处理之后才能作为串口使用。
串口发送类似文件操作，非常简单。使用 write 函数即可，三个参数分别是句柄，传输的buffer 以及，传输的长度。这个函数前面介绍文件 IO 的时候已经介绍过了，这里就不再重复。
源码文件名为“uartwrite.c”。具体代码如下：

#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);
}

如上图所示，运行代码之后，可观察到如下现象。
控制台打印“itop4412 uart3 writetest start”。
控制台打印“open %s is success\n”。
接着打印 i=10 次的"hello world!\n"。
打印的同时控制台会打印“wr_static is %d”。
另外，如果其它打开设备之类的操作出错，会打印对应的错误。

4、串口接收

串口接收使用 read 函数，在文件 io 中已经介绍过了。具体代码如下：

#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，靠近耳机接口的串口
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;
			}
		}
	}
}