12. 串口通讯与终端设备

本章主要讲解串口和终端设备的基本使用,并且通过这个过程解构如何使用ioctl系统调用 向设备文件写入特别的命令,控制硬件。我们需要熟悉ioctl的使用,是因为在后面编写驱 动时,某些硬件需要向内核提供ioctl所需的操作方法。

本章节的示例代码目录为:base_code/linux_app/tty

12.1. 串口通讯简介

串口通讯(Serial Communication)是一种设备间非常常用的串行 通讯方式,因为它简单便捷,大部分电子设备都支持,电子工程师在调试设备 时也经常使用串口来输出调试信息,在计算机的上古时代,键盘、鼠标、MODEM以及终 端都是使用串口通讯的。本书配套的开发板默认也是使用串口终端,不过为了方便使 用,开发板上添加了USB转串口芯片,使得我们可以直接用USB线连接主机和开发板的串口。

串口在旧式的台式计算机中一般会以RS-232标准的COM口出现(也称DB9接口),见下图。

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对于没有COM口的电脑,可以使用类似下图的USB转串口线,把USB端接 入电脑并安装对应的驱动程序即可。

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Windows上有很多串口通讯工具,如野火串口调试助手,终端 工具putty、xShell等,如下图所示。

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使用这些工具时,我们通常需要配置端口号、波特率、校验位、数据位以及停止位的参数。

  • 端口号:在Windows上通常以COM1、COM2等方式命名,用于区 分同一台电脑上的不同串口设备。
  • 波特率:串口最常用的是异步通讯,它没有时钟信号同步数据,所以通讯双 方需要约定好数据的传输速率,波特率就是指每秒传输的比特位数(bits per second)。常 见的波特率为4800、9600、115200等,表示通讯双方传输时每秒传输4800、9600以及115200个二 进制数据位。
  • 通讯的起始和停止信号:串口通讯的一个数据包从起始信号开始,直到停止信号结束。数 据包的起始信号由一个逻辑0的数据位表示,而数据包的停止信号可以用0.5、1、1.5或2个逻辑1的数 据位表示。
  • 有效数据:在数据包的起始位之后紧接着的就是要传输的主体数据内容,也称 为有效数据,有效数据的长度常被约定为5、6、7或8位长。
  • 数据校验:由于通信容易受到外部干扰导致传输出现偏差,在有效数据之后,有一个 可选的数据校验位。校验方法有奇校验(odd)、偶校验(even)、0校验(space)、1校验(mark)以及无 校验(noparity)。

在本章的学习中,对于上述概念的细节不了解也没有关系,只要知道串口通讯需要配置 这些参数,而且通讯双方的这些配置都一致即可。本章节聚焦于如何使用串口通讯、使用终端设备 文件,若想了解串口通讯协议的详细内容请参考裸机章节。

12.2. 终端设备

最初的计算机价格比较昂贵,往往带有一块控制计算机的面板,可用于对计算机进行一些 简单操作,这种被称为控制台(console)。每个用户通过终端(terminal)连接到主 机,终端和主机之间采用通信电缆相连接,甚至可以通过电信网络连接到另一个城市的 电脑。控制台与终端都是用于用户与系统进行交互的设备,区别 在于主机对于控制台的信任度高于终端。随着物理元器件的变化,计算机主机经历了 更新换代 ,“控制台终端”、“终端”这些名词都是表示的一个意思,基本没有什么区别了。

Teletype是最早出现的一种终端设备,类似于电传打字机,tty是 Teletype的缩写。最初tty是指 连接到Unix系统上的物理或者虚拟终端。但是随着时间的推移,tty也用于串口设备,如ttyn、ttySACn等,Linux系统 对终端设备的支持非常强大。

本章通过Linux的终端设备文件进行串口通讯。

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12.2.1. 终端设备文件

在Linux下终端的设备文件都位于/dev/目录下,以tty*开头的字符命名,可使用如下命令查看:

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#查看/dev目录下的“tty”名字开头的设备,“*”表示匹配任意字符
ls /dev/tty*
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虽然/dev目录下有很多这样的设备,但它们并不是都可用的,为便于讲解,我们使用开发板上的tty设备进行说明。

在开发板的终端上执行同样的“ls /dev/tty*”命令,如下图所示。

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可以看到有个名为“ttymxc0”的设备,“ttymxc0”就是开发板的串口1,它已被默认被用在命令行的终端上。

12.2.2. stty命令

Linux下有一个专门的stty命令可以查看或设置终端的参数。

在开发板的终端执行如下命令:

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#在开发板的终端执行如下命令
#它会输出当前终端的参数
stty
#查看ttymxc0设备参数
stty -F /dev/ttymxc0
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从上图中命令的执行结果可看到,ttymxc0的通讯速率“speed”为115200, 这就是串口通讯的波特率,这些是在驱动中设置的默认值。若用户想修改tty设备的配置,可以使用如下命令:

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#在开发板的终端执行如下命令
#查看设备参数
stty -F /dev/ttymxc0
#设置通讯速率,其中ispeed为输入速率,ospeed为输出速率
stty -F /dev/ttymxc0 ispeed 9600 ospeed 9600

注意:如果修改了串口1的波特率,相应的串口调试助手也要修改为对应波特率,否则开发板的串口终端将不能再使用

命令中的ispeed和ospeed分别表示要设置的输入速率和输出速率,并不是所有设备 都支持不同的输入输出速率,所以最好把它们设置成一样。

12.3. 串口通讯实验(Shell)

本实验使用开发板上的串口3进行实验,对应的设备文件为/dev/ttymxc2,这是因为驱动是从0开始编号的。 对tty的设备文件直接读写就可以控制设备通过串口接收或发送数据,下面我们使用开发板配合Windows下的串口调试助手或Linux下的minicom进行测试。

12.3.1. 使能串口3

开发板串口3默认没有使能,参考前面《fire-config工具简介》章节,使能开发板的串口3外设。

如下图:

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12.3.2. 查询串口3的通信参数

串口3外设使能后,在/dev目录下生成ttymxc2设备文件,用stty工具查询其通信参数

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#在开发板的终端执行如下命令
stty -F /dev/ttymxc2

如下图:

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12.3.3. 连接串口线及跳线帽

实验前需要使用串口线或USB转串口线把它与开发板与电脑连接起来,并且使用跳线帽连接 排针“UART3_TXD<—->T2IN”、“UART3_RXD<—->R2OUT”,如下图所示。

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12.3.4. 与Windows主机通讯

12.3.4.1. 配置串口调试助手

在Windows的电脑端,打开串口调试助手,如下图所示。

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使用串口调试助手时,要注意端口号,如果是使用USB转串口线的话,可以在Windows系 统的设备管理器中查找到,把线从电脑上拔掉或插入可以看到设备列表的更新,从下图中可以 看到本电脑有两个CH340 USB转串口设备,其中COM4 是连接到开发板串口3的设备,COM5是连接到开发板的串口1终端的设备,请根据自己电脑的实际情况选择。

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另外还要注意串口的波特率,串口调试助手的波特率要与开发板串口的设置一致。

12.3.4.2. 串口通讯实验

配置好串口调试助手后,尝试使用如下命令测试发送数据:

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#在开发板上的终端执行如下指令
#使用echo命令向终端设备文件写入字符串"board"、"embedfire"
echo board > /dev/ttymxc2
echo embedfire > /dev/ttymxc2
#Windows上的串口调试助手会接收到内容

如下图:

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可以看到,往/dev/ttymxc2设备文件写入的内容会直接通过串口线发送至Winodws的主机。

而读取设备文件则可接收Winodws主机发往开发板的内容,可以使用cat命令来读取:

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#在开发板上的终端执行如下指令
#使用cat命令读取终端设备文件
cat /dev/ttymxc2
#cat命令会等待
#使用串口调试助手发送字符串
#字符串最后必须加回车!
#开发板的终端会输出接收到的内容

如下图:

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12.3.5. 与Ubuntu主机通讯

12.3.5.1. 分配USB转串口设备

在Linux下串口调试的过程也是类似的,不过要注意虚拟机的配置。

实验前同样要先接上USB转串口线到电脑上,并且在虚拟机界面的右下方设置把该USB设备分配到虚拟机上。

如下图:

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通过对比分配设备前后/dev/ 目录下的tty*文件,可以了解到插入的USB转串口线对应 的是哪个设备文件。在本主机中,新增的设备文件是“/dev/ttyUSB0”,如下图,请根据自己主机的情 况确认具体的设备文件,在后面配置串口参数时需要用到。

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12.3.5.2. 安装和配置minicom

Linux下也有类似Windows的图形界面串口调试助手,不过此处想推荐大家 学习一款在Linux终端下的工具minicom,使用该工具可以在无界面的系统上调试串口。

在Ubuntu主机上可以直接用以下命令安装和配置minicom:

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#以下命令在主机上执行
sudo apt install minicom
#安装成功后使用如下命令运行配置
#需要使用sudo权限运行
sudo minicom -s
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上图是minicom运行时的配置界面,注意执行minicom命令时需要使用sudo获取权限,否则无法 修改设备的参数。在该界面中使用键盘的上下方向键和回车键可以进入菜单进行配置,此处我 们选择“Serial port setup”菜单配置串口参数,如下图所示。

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在配置串口参数页面中根据提示的按键“A”、“E”、“F”配置串口设备为“/dev/ttyUSB0”(根据自己的电 脑设备选择)、波特率为“9600”、以及不使用硬件流控“No”,配置完成后按回车键退出当前菜 单。然后再选择“Save setup as dfl”菜单保存配置,见下图(若提示无法保 存,请确保前面是使用“sudo”权限运行minicom的),保存完成后选 择“Exit”菜单或按键盘的“Esc”键即可进入终端界面。

如下图:

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从配置菜单退出后可进入minicom的终端界面,也可以在保存 配置完全退出minicom后,重新执行命令打开它的终端:

#以下命令在Ubuntu主机上执行

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sudo minicom

下图是minicom打开的终端界面,默认包含了当前打开的串口 设备信息,当该设备接收到内容时,会在终端上显示出来,而在终端输入的内容则会通过串口发送出去。

如下图:

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在minicom的终端界面中,按下Ctrl+A键再按下Z 键可以查看帮助,按下Ctrl+A键再按下X键可以退出。

12.3.5.3. 串口通讯实验

配置好minicom后,就可以使用它与开发板进行串口通讯 实验了,操作方式与Windows下是类似的,在开发板使用echo和cat命令 对终端设备文件进行读写,实现串口通讯。

使用如下命令测试收发数据:

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#在开发板上的终端执行如下指令
#使用echo命令向终端设备文件写入字符串"board"、"embedfire"
echo board > /dev/ttymxc2
echo embedfire > /dev/ttymxc2

Ubuntu主机上的minicom会显示接收到内容

如下图:

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开发板接收串口内容的实验步骤如下:

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#在开发板上的终端执行如下指令
#使用cat命令读取终端设备文件
cat /dev/ttymxc2
#cat命令会等待
#在Ubuntu主机的minicom界面输入内容
#字符串最后必须加回车!
#开发板的终端会输出接收到的内容

如下图:

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12.4. 串口通讯实验(系统调用)

如果只是想通过串口终端设备收发数据,那么使用open、read、write等系统调 用能轻易实现,操作的原理和前面的led、gpio、input设备并无区别,都是读写设备 文件。但是led、gpio和input除了主设备文件,还有众多的属性文件配合用于设置设备的运 行参数,如led的trigger文件,g pio的direction文件,而终端设备却没有其它的属性文件,那 么stty命令和minicom工具是如何配置终端设备参数的呢?

12.4.1. 实验代码分析

我们直接通过修改串口终端参数的示例代码来解答这个疑惑,源码如下所示。

串口通讯示例(base_code/linux_app/tty/c/source/main.c文件)
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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <termios.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>

/第一部分代码/
//根据具体的设备修改
const char default_path[] = "/dev/ttymxc2";
// const char default_path[] = "/dev/ttymxc2";


int main(int argc, char *argv[])
{
int fd;
int res;
char *path;
char buf[1024] = "Embedfire tty send test.\n";

/第二部分代码/

//若无输入参数则使用默认终端设备
if (argc > 1)
path = argv[1];
else
path = (char *)default_path;

//获取串口设备描述符
printf("This is tty/usart demo.\n");
fd = open(path, O_RDWR);
if (fd < 0) {
printf("Fail to Open %s device\n", path);
return 0;
}

/第三部分代码/
struct termios opt;

//清空串口接收缓冲区
tcflush(fd, TCIOFLUSH);
// 获取串口参数opt
tcgetattr(fd, &opt);

//设置串口输出波特率
cfsetospeed(&opt, B9600);
//设置串口输入波特率
cfsetispeed(&opt, B9600);
//设置数据位数
opt.c_cflag &= ~CSIZE;
opt.c_cflag |= CS8;
//校验位
opt.c_cflag &= ~PARENB;
opt.c_iflag &= ~INPCK;
//设置停止位
opt.c_cflag &= ~CSTOPB;

//更新配置
tcsetattr(fd, TCSANOW, &opt);

printf("Device %s is set to 9600bps,8N1\n",path);

/第四部分代码/

do {
//发送字符串
write(fd, buf, strlen(buf));
//接收字符串
res = read(fd, buf, 1024);
if (res >0 ) {
//给接收到的字符串加结束符
buf[res] = '\0';
printf("Receive res = %d bytes data: %s\n",res, buf);
}
} while (res >= 0);

printf("read error,res = %d",res);

close(fd);
return 0;
}

为便于讲解,我们把代码分成四个部分:

  • 第一部分:定义了默认使用的串口终端设备路径及其它一些变量。
  • 第二部分:根据main是否有输入参数确认使用哪个设备路径,并通过open的O_RDWR读写模式打开该设备。
  • 第三部分:定义了一个结构体termios用于获取、设置终端设备的参数,包括波特率、数据位数、校验位等,这是 本章的重点,在下一小节详细说明。
  • 第四部分:在while循环中对终端设备使用read和write进行读写,从而 控制串口收发数据。代码中在接收到的内容末尾加了’0’结束符,主要是为了方便使用字符串的方式处理内容。

12.4.2. termios结构体

示例代码中的第三部分,使用了termios结构体,它是在POSIX规范中定义的标准接口。Linux系统利 用termios来设置串口的参数,它是在头文件<termios.h>包含的<bits/termios.h>中定义的,该文 件中还包含了各个结构体成员可使用的宏值,请自己使用locate命令查找该文件 打开来阅读,关于termios结构体的定义摘录如下所示。

termios结构体(位于主机/usr/include/bits/termios.h文件)
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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 */
speed_t c_ispeed; /* input speed */
speed_t c_ospeed; /* output speed */
 #define _HAVE_STRUCT_TERMIOS_C_ISPEED 1
 #define _HAVE_STRUCT_TERMIOS_C_OSPEED 1
 };

下面我们介绍一下各个结构体成员,主要是关注c_iflag、c_cflag以及c_ispeed、c_ospeed即可:

  • c_iflag:输入(input)模式标志,用于控制如何对串口输入的字符进行处理,常用的选项值见下表。

表 c_iflag选项值

选项值 作用
INPCK 启用输入奇偶检测
IGNPAR 忽略帧错误和奇偶检验错误
IGNCR 忽略输入中的回车
IXON 开启XON/XOFF流控制
IXOFF 关闭XON/XOFF流控制
  • c_oflag:输出(output)模式标志,用于控制串口的输出模式,常用的选项值见下表。

表 c_oflag选项值

选项值 作用
ONLCR 将输出中的换行符NL映射为回车-换行CR
OCRNL 将输出的回车映射为换行符
ONLRET 不输出回车
OFILL 发送填充字符串
  • c_cflag:控制(control)模式标志,用于控制串口的基本参数,如数据位、停止位等,常

用配置见下表,特别地,c_cflag结构体成员还包含了波特率的参数。

表 c_cflag选项值

选项值 作用
CSIZE 设置数据位长度,可以配置为CS5、CS6、CS7、CS8。
CSTOPB 如果设置 CSTOPB 标志,则使用两位停止位
PARENB 使能奇偶检验
PARODD 设置为奇校验
  • c_lflag:本地(local)模式标志,主要用于控制驱动程序与用户的交互,在串口通信中,实际上用不到该成员变量。
选项值 作用
ISIG 如果设置 ISIG 标志,当接收到字符INTR、QUIT等字符,系统会产生相应的信号。
ECHO 是否需要回显字符
ICANON 若设置了 ICANON 标志,则表示终端处于规范式输入状态,允许使用特殊字符EOF、KILL等
ECHONL 若该标志位和ICANON标志位同时被设置,则回显换行符NL
  • c_cc[NCCS]:该数组包含了终端的所有特殊字符,可以修改特殊字符对应

的键值(Ctrl+C产生的^C,ASCII码为0x03),部分内容如下表。

表 c_cc中各成员对应的下标值

数组的下标值 作用
VINTR 中断字符,若接收到该字符时,会发送SIGINT信号。当设置了c_lflag的ISIG标志位时,该字母不再作为输入传递。
VERASE 删除字符,删除上一个字符。
VIM 设置非标准模式读取的最小字节数
VTIM 设置非标准模式读取时的延时值,单位为十分之一秒。
  • c_ispeed和c_ospeed:记录串口的输入和输出波特率(input speed和output speed),部分可 取值如下代码所示,宏定义中的数字以“0”开头,在C语言中这是表示8进制数字的方式。
波特率定义(位于/usr/include/bits/termios.h)
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//注意以0开头的数字在是C语言的8进制数字形式
#define B1200 0000011
#define B1800 0000012
#define B2400 0000013
#define B4800 0000014
#define B9600 0000015
#define B19200 0000016
#define B38400 0000017
  • 宏定义:termios结构体内部有_HAVE_STRUCT_TERMIOS_C_ISPEED和_HAVE_STRUCT_TERMIOS_C_OSPEED两个 宏定义,它们的宏值都为1,表示它 支持c_ispeed和c_ospeed表示方式,部分标准中不支持使用这两个结构体成员表示波特率,而只使用c_cflag来表示。

直接看结构体的定义比较抽象,下面我们以修改串口波特率、数据位、校验位和停止位的示例代码进行讲解。接下来几个小节的代码,是我们从base_code/linux_app/tty/c_full/sources/bsp_uart.c文件截取的,该文件以比较完善的方式封装了串口的配置,而本书提取出了代码中的重点 进行分析,感兴趣的读者可以打开配套的工程文件阅读。

12.4.2.1. 配置串口波特率

修改终端串口波特率的示例代码如下所示。

示例代码-修改串口波特率
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//定义termios型变量opt
struct termios opt;
//fd是使用open打开设备文件得到的文件句柄
// 获取串口参数opt
tcgetattr(fd, &opt);
//设置串口输出波特率
cfsetospeed(&opt, B9600);
//设置串口输入波特率
 cfsetispeed(&opt, B9600);
 //更新配置
 tcsetattr(fd, TCSANOW, &opt);

代码中使用到了头文件termios.h的库函数tcgetattr、cfsetispeed、cfsetospeed和tcsetattr。

其中tcgetattr和tcsetattr函数分别用于读取和设置串口的参数,原型如下:

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#include <termios.h>

#include <unistd.h>

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

int tcsetattr(int fd, int optional_actions, const struct termios *termios_p);
  • 形参fd:指定串口设备文件的文件描述符。
  • 形参termios_p:指向串口参数的结构体termios,tcgetattr读取到的参数会 保存在该结构体中,而tcsetattr则根据该结构体配置设备参数。
  • 形参optional_actions:仅tcsetattr函数有这个参数,它用于指示配置什么时候生效,它支持的配置参数如下:
  • TCSANOW表示立即生效。
  • TCSADRAIN表示待所有数据传输结束后配置生效。
  • TCSAFLUSH表示输入输出缓冲区为空时配置有效。

跟示例代码中的一样,通常都使用选项TCSANOW,让写入的参数配置立马生效。

代码中的cfsetispeed和cfsetospeed函数分别用于设置termios结构体的输入和输出波 特率,另外还有cfsetspeed函数可以同时设置输入和输出波特率参数为相 同的值,原型如下:

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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);

使用这些函数要注意两点:

  • speed参数需要使用类似前面代码定义的宏值。
  • 这三个函数只是修改了termios的opt变量的内容,并没有写入到设备文件,因此在修改完 它的内容后,还需要调用tcsetattr函数,把opt变量中的配置写入到设备,使它生效。

这就是修改终端设备参数的过程,读取原配置、修改termios参数、写入termios参数。

12.4.2.2. 配置串口停止位

c_cflag中的标志位CSTOPB,用于设置串口通信停止位的长度。若该值为0,则停止位的长 度为1位;若设置该位为1,则停止位的长度为两位,具体实现如下所示。

示例代码-配置停止位
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//在bits/termios.h文件中关于CSTOPB的定义
//注意以0开头的数字在是C语言的8进制数字形式
#define CSTOPB 0000100
//
//设置停止位示例
//定义termios型变量opt
struct termios opt;
// 获取串口参数opt
 tcgetattr(fd, &opt);

 /* 设置停止位*/
 switch (stopbits)
 {
 //设置停止位为1位
 case 1:
 opt.c_cflag &= ~CSTOPB;
 break;
 //设置停止位为2位
 case 2:
 opt.c_cflag |= CSTOPB;
 break;
 }

 //更新配置
 tcsetattr(fd, TCSANOW, &opt);

示例代码依然是采取了获取当前参数、修改配置、更新配置的套路。

修改配置的代码中使用了“&=~”、“|=”这种位操作 方法,主要是为了避免影响到变量 中的其它位,因为在c_cflag的其它位还包含了校验位、数据位和波特率相关的配置,如果直 接使用“=”赋值,那其它配置都会受到影响,而且操作不方便。在后面学习裸机开发,对寄存器操作 时会经常用到这种方式。若没接触过这些位操 作方式,可参考本书附录中《第65章 位操作方法》的说明。

简单来说,示例中的“&=~”把c_cflag变量中CSTOPB对应的数 据位清0,而“|=”则把c_cflag变量中CSTOPB对应的 数据位置1,达到在不影响其它配置的情况下把停止位配置为1位或两位。

12.4.2.3. 配置串口校验位

配置串口的校验位涉及到termios成员c_cflag的标志位PARENB、PARODD 以及c_iflag的标志 位INPCK,其中PARENB和INPCK共同决定是否使能奇偶校验,而PARODD 决定使用奇校验还是偶校验,配置的示例代码如下所示。

示例代码-配置奇偶校验
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//bits/termios.h的位定义
//注意以0开头的数字在是C语言的8进制数字形式
/* c_cflag bit meaning */
#define PARENB 0000400
#define PARODD 0001000
/* c_iflag bits */
#define INPCK 0000020
//
 //定义termios型变量opt
 struct termios opt;
 // 获取串口参数opt
 tcgetattr(fd, &opt);

 switch (parity)
 {
 case 'n':
 case 'N':
 options.c_cflag &= ~PARENB; /* 不使用奇偶校验 */
 options.c_iflag &= ~INPCK; /* 禁止输入奇偶检测 */
 break;
 case 'o':
 case 'O':
 options.c_cflag |= PARENB; /* 启用奇偶效验 */
 options.c_iflag |= INPCK; /* 启用输入奇偶检测 */
 options.c_cflag |= PARODD ; /* 设置为奇效验 */
 break;
 case 'e':
 case 'E':
 options.c_cflag |= PARENB; /* 启用奇偶效验 */
 options.c_iflag |= INPCK; /* 启用输入奇偶检测 */
 options.c_cflag &= ~PARODD; /* 设置为偶效验*/
 break;
 }

 //更新配置
 tcsetattr(fd, TCSANOW, &opt);

配置非常简单,不校验时同时把PARENB和INPCK位清零,启用校验时把PARENB和INPCK同时置1,而PARODD为1时指定为奇校验,为0时是偶校验。

12.4.2.4. 配置串口数据位

串口的数据位是由c_cflag中的CSIZE配置的,由于串 口支持5、6、7、8位的配置,一共有四种,所以在c_cflag中使用了两个数据 位进行配置,在配置前我们需要先对CSIZE数据位清零,然后再赋予5、6、7、8的宏配置值,具体代码如下所示。

示例代码-设置数据位长度位
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//bits/termios.h的位定义
//注意以0开头的数字在是C语言的8进制数字形式
#define CSIZE 0000060
#define CS5 0000000
#define CS6 0000020
#define CS7 0000040
#define CS8 0000060
//
 //定义termios型变量opt
 struct termios opt;
 // 获取串口参数opt
 tcgetattr(fd, &opt);

 //先清除CSIZE数据位的内容
 opt.c_cflag &= ~CSIZE;

 switch (databits) /*设置数据位数*/
 {
 case 5:
 opt.c_cflag |= CS5;
 break;
 case 6:
 opt.c_cflag |= CS6;
 break;
 case 7:
 opt.c_cflag |= CS7;
 break;
 case 8:
 opt.c_cflag |= CS8;
 break;
 }
 //更新配置
 tcsetattr(fd, TCSANOW, &opt);

学习了使用termios结构体配置串口参数的各种方式后,请再回过头看看前面的main.c示例文件代码,相信已经不用再介绍了。

12.4.3. 编译及测试

本实验使用的Makefile相对于前面的章节仅修改了最终的可执行文件名为tty_demo。

12.4.3.1. x86架构

本实验的main.c实验代码使用的终端设备文件默认是开发板上的ttymxc2按键,在Ubuntu主机上并没 有这样的设备,如果想尝试在主机上使用,可以根据自己Ubuntu主机上可用的串口设备作为程 序的输入参数输入运行,如本书示例的“/dev/ttyUSB0”,它使用USB转串口线连接至了开发板的串口3 ,并且连接了跳线帽。

实验的硬件连接和minicom的配置,请参考前面小节的内容,通讯时注意串口波特率要匹配。

在x86平台的编译测试过程如下:

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#在主机的实验代码Makefile目录下编译
#默认编译x86平台的程序
make
#查看可用的tty设备文件
ls /dev/tty*
#请根据自己主机上的输出修改设备文件参数
#程序需要使用sudo运行
sudo ./build_x86/tty_demo /dev/ttyUSB0
#在另一个设备通过串口发送内容至Ubuntu主机
#本示例中是开发板与电脑连接,此处在开发板中使用echo命令发送内容至串口3
#以下命令在开发板的终端执行
#以下命令在开发板的终端执行
#确认串口波特率
stty -F /dev/ttymxc2
#发送数据
echo board > /dev/ttymxc2
#Ubuntu主机端会收到数据并显示

如下图:

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12.4.3.2. ARM架构

对于ARM架构的程序,可使用如下步骤进行编译:

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#在主机的实验代码Makefile目录下编译
#编译arm平台的程序
make ARCH=arm
编译后生成的ARM平台程序为build_arm/tty_demo,使用网络文件系统
共享至开发板,程序默认使用ttymxc2通讯,也可以自行指定输入设备路径。
#以下命令在Ubuntu主机执行
#以下命令在Ubuntu主机执行
#根据自己主机的设备配置minicom,注意波特率要匹配
#关于minicom的配置请参考前面小节的内容
sudo minicom /dev/ttyUSB0
#配置完毕打开minicom终端

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#以下命令在开发板上的终端执行
#在NFS共享的工程目录路径执行
#使用默认的ttymxc2设备通讯
./build_arm/tty_demo
#程序会通过串口发送内容至主机
#主机使用minicom可发送内容至开发板

如下图:

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12.5. ioctl系统调用

通过前面的学习我们已经掌握了配置串口参数的方法,就是对设备文件操作,前面代码中使用 到的文件操作摘录如下所示。

跟设备文件相关的函数操作
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//前面实验中对设备文件操作的函数
fd = open(path, O_RDWR);
write(fd, buf, strlen(buf));
read(fd, buf, 1024);
close(fd);
tcgetattr(fd, &opt);
tcsetattr(fd, TCSANOW, &opt);

仔细分析这些操作,发现万里晴空出现了两朵乌云。open、write、read、close都是Linux的系统调 用,而tcgetattr、tcsetattr则是库函数。而且按照传统的认知,文件操作大都是跟 内容挂勾的,上一章节的input事件设备文件记录了上报的事件信息,而tty设备的文件却不是记录串口 终端的配置参数,因为对文件的write操作是对外发送数据,而read则是读取接收 到的数据,也就是说,“tty*”文件并没有记录串口终端的配置信息,那么tcgetattr、tcsetattr这两个函数究竟做了什么神仙操作?

它们实际上都是对ioctl系统调用的封装。

12.5.1. ioctl原型

ioctl系统调用的功能是向设备文件发送命令,控制一些特殊操作,它的函数原型如下:

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#include <sys/ioctl.h>
int ioctl(int fd, unsigned long request, ...);
  • 参数fd:与write、read类似,fd文件句柄指定要操作哪个文件。
  • 参数reques:操作请求的编码,它是跟硬件设备驱动相关的,不同驱动设备支持不同的编码,驱动程序通常会使用头文件提供可用的编码给上层用户。
  • 参数“…”:这是一个没有定义类型的指针,它与printf函数定义中的“…”类似,不过ioctl此处只能 传一个参数。部分驱动程序执行操作请求时可能需要配置参数,或者操作完成时需要返回数据,都是通过此处传的指针进行访问的。

12.5.2. 使用ioctl代替tcgetattr和tcsetattr

我们编写了工程文件来进行说明,本小节的工程目录:base_code/linux_app/tty/c_ioctl。

工程示例文件如下所示。

使用ioctl的示例(base_code/linux_app/tty/c_ioctl/source/main.c文件)
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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <termios.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>

//根据具体的设备修改
const char default_path[] = "/dev/ttymxc2";
// const char default_path[] = "/dev/ttymxc2";


int main(int argc, char *argv[])
{
   int fd;
   int res;
   struct termios opt;
   char *path;
   char buf[1024] = "Embedfire tty send test.\n";

   //若无输入参数则使用默认终端设备
   if(argc > 1)
      path = argv[1];
   else
      path = (char *)default_path;

   //获取串口设备描述符
   printf("This is tty/usart demo.\n");
   fd = open(path, O_RDWR);
   if(fd < 0){
      printf("Fail to Open %s device\n", path);
      return 0;
   }
   //清空串口接收缓冲区
   tcflush(fd, TCIOFLUSH);
   // 获取串口参数opt
   // tcgetattr(fd, &opt);

   res = ioctl(fd,TCGETS, &opt);

   opt.c_ispeed = opt.c_cflag & (CBAUD | CBAUDEX);
   opt.c_ospeed = opt.c_cflag & (CBAUD | CBAUDEX);

   //输出宏定义的值,方便对比
   printf("Macro B9600 = %#o\n",B9600);
   printf("Macro B115200 = %#o\n",B115200);
   //输出读取到的值
   printf("ioctl TCGETS,opt.c_ospeed = %#o\n", opt.c_ospeed);
   printf("ioctl TCGETS,opt.c_ispeed = %#o\n", opt.c_ispeed);
   printf("ioctl TCGETS,opt.c_cflag = %#x\n", opt.c_cflag);

   speed_t change_speed = B9600;
   if(opt.c_ospeed == B9600)
      change_speed = B115200;

   //设置串口输出波特率
   cfsetospeed(&opt, change_speed);
   //设置串口输入波特率
   cfsetispeed(&opt, change_speed);
   //设置数据位数
   opt.c_cflag &= ~CSIZE;
   opt.c_cflag |= CS8;
   //校验位
   opt.c_cflag &= ~PARENB;
   opt.c_iflag &= ~INPCK;
   //设置停止位
   opt.c_cflag &= ~CSTOPB;

   //更新配置
   // tcsetattr(fd, TCSANOW, &opt);
   res = ioctl(fd,TCSETS, &opt);

   //再次读取
   res = ioctl(fd,TCGETS, &opt);

   opt.c_ispeed = opt.c_cflag & (CBAUD | CBAUDEX);
   opt.c_ospeed = opt.c_cflag & (CBAUD | CBAUDEX);

   printf("ioctl TCGETS after TCSETS\n");

   //输出读取到的值
   printf("ioctl TCGETS,opt.c_ospeed = %#o\n", opt.c_ospeed);
   printf("ioctl TCGETS,opt.c_ispeed = %#o\n", opt.c_ispeed);
   printf("ioctl TCGETS,opt.c_cflag = %#x\n", opt.c_cflag);

   do{
      //发送字符串
      write(fd, buf, strlen(buf));
      //接收字符串
      res = read(fd, buf, 1024);
      if(res >0 ){
         //给接收到的字符串加结束符
         buf[res] = '\0';
         printf("Receive res = %d bytes data: %s\n",res, buf);
      }
   }while(res >= 0);

   printf("read error,res = %d",res);

   close(fd);
   return 0;
}

本实验代码就是直接通过ioctl系统调用代替了tcgetattr和tcsetattr这两个库函数。

  • 在示例代码中的第41行和76行,使用ioctl向设备文件发送了“TCGETS”请求,在tty设备 的驱动层,会根据这个请求返回配置参数,并通过传入的&opt指针传出。
  • 类似地,示例代码中的第73行,使用ioctl向设备文件发送了“TCSETS”请求,在tty设备 的驱动层,会根据这个请求设置由指针&opt传入的配置参数,修改设备的属性。
  • 特别地,由于使用ioctl获取配置参数时,波特率的值不会直接写入到termios结构体 的c_ispeed和c_ospeed成员,需要通过c_cflag的值运算得出,所以第43、44行和78、79行加入了运算转 换,运算出来的值是B9600或B115200之类的值。如果不进行这样的运算操作,c_ispeed和c_ospeed得到的值可能是不对的。
  • 代码的其它部分是输出的一些调试信息,方便在实验时验证获取到的信息是否正确。

关于ioctl的TCGETS和TCSETS参数,可以在man手册中查看,使用如下命令:

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man ioctl_tty

如下图:

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ioctl系统调用应用非常广泛,因为并不是所有设备都仅有读写操作,例如控制CD-ROM的 弹出和收回,特殊设备的机械操作,又或者我们自己编写LED驱动程序也可以对 上层提供指令 实现花式点灯,在以后编写驱动程序时,我们再来学习与ioctl系统调用相关的接口。

12.5.3. 编译及测试

本实验使用的Makefile相对于前面的章节仅修改了最终的可执行文件名为tty_demo。

12.5.3.1. x86架构

本实验主要是为了验证ioctl是否能获取或设置串口终端设备的参数,如果想进行通 讯测试请参照上一小节的说明,操作是类似的,匹配波特率即可。

在x86平台的编译测试过程如下:

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#在主机的实验代码Makefile目录下编译
#默认编译x86平台的程序
make
#查看可用的tty设备文件
ls /dev/tty*
#请根据自己主机上的输出修改设备文件参数
#可以使用stty命令查看当前设备参数
sudo stty -F /dev/ttyUSB0
#程序需要使用sudo运行
sudo ./build_x86/tty_demo /dev/ttyUSB0
#程序运行时会输出获取到的波特率及c_cflag配置,并把波特率设置为B9600或B115200

如下图:

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12.5.3.2. ARM架构

对于ARM架构的程序,可使用如下步骤进行编译:

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#在主机的实验代码Makefile目录下编译
#编译arm平台的程序
make ARCH=arm

编译后生成的ARM平台程序为build_arm/tty_demo,使用网络文件系 统共享至开发板,程序默认使用ttymxc2设备,也可以自行指定输入设备路径。

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#以下命令在开发板上的终端执行
#以下命令在开发板上的终端执行

#请根据自己主机上的输出修改设备文件参数

#可以使用stty命令查看当前设备参数

stty -F /dev/ ttymxc2

#程序需要使用sudo运行

./build_arm/tty_demo /dev/ttymxc2

#程序运行时会输出获取到的波特率及c_cflag配置,并把波特率设置为B9600或B115200

如下图:

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12.6. 查看glibc源码

如果你问我,是怎么知道这些的tcgetattr.c和tcsetattr.c是通过ioctl系统调 用实现的,又是如何知道c_ispeed和c_ospeed需要通过c_cflag成员运算得出的?答案 是查看源码,我们一直在强调Linux是开放的,就看我们如何挖掘这些宝藏了。

既然它们是库函数,那我们就到glibc的源码中找找,glibc的源码可以到其 官网下载:http://www.gnu.org/software/libc/,下载到源码后,使用VS Code编辑 器的搜索功能,就可以搜到相关的内容,如下图所示。

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这两个函数的定义位于glibc源码的如下目录: glibc/sysdeps/unix/sysv/linux/,该 目录中的tcgetattr.c和tcsetattr.c文件分别定义了这两个函数。这两个文件 我们也拷贝了一份到工程的如下目录,方便查看: base_code/linux_app/tty/c_ioctl/glibc_file。

tcgetattr.c文件的内容如下。

tcgetattr的glibc源码(glibc/sysdeps/unix/sysv/linux/tcgetattr.c文件)
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int
__tcsetattr (int fd, int optional_actions, const struct termios *termios_p)
{
struct __kernel_termios k_termios;
unsigned long int cmd;

switch (optional_actions)
   {
   case TCSANOW:
      cmd = TCSETS;
      break;
   case TCSADRAIN:
      cmd = TCSETSW;
      break;
   case TCSAFLUSH:
      cmd = TCSETSF;
      break;
   default:
      return INLINE_SYSCALL_ERROR_RETURN_VALUE (EINVAL);
   }

k_termios.c_iflag = termios_p->c_iflag & ~IBAUD0;
k_termios.c_oflag = termios_p->c_oflag;
k_termios.c_cflag = termios_p->c_cflag;
k_termios.c_lflag = termios_p->c_lflag;
k_termios.c_line = termios_p->c_line;
#if _HAVE_C_ISPEED && _HAVE_STRUCT_TERMIOS_C_ISPEED
k_termios.c_ispeed = termios_p->c_ispeed;
#endif
#if _HAVE_C_OSPEED && _HAVE_STRUCT_TERMIOS_C_OSPEED
k_termios.c_ospeed = termios_p->c_ospeed;
#endif
memcpy (&k_termios.c_cc[0], &termios_p->c_cc[0],
   __KERNEL_NCCS * sizeof (cc_t));

return INLINE_SYSCALL (ioctl, 3, fd, cmd, &k_termios);
}

libc_hidden_def (__tcgetattr)
weak_alias (__tcgetattr, tcgetattr)

代码看起来有点复杂,但刚接触的时候我们不需要完全弄清楚它的所有细节:

  • 第7行:它使用ioctl发送了TCGETS请求,并传入了&k_termios指针记录参数。
  • 第10行开始,都是把读取到的k_termios内容复制到__tcgetattr传入的termios_p中指针指向的 变量中,而c_ispeed和c_ospeed就是在第19、26行通过c_cflag运算得到的,所以我们使用tcgetattr库函 数的时候,不需要自己再运算赋值,而自己通过ioctl读取 配置时则要加上运算转换。

glibc源码中使用了很多特别的宏或封装,如INLINE_SYSCALL、__glibc_likely、weak_alias等,感兴趣 的读者可以查阅glibc官方的相关文档学习。