uclinux下串口编程

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在Linux中，设备分为3类：字符设备、块设备和网络设备。uClinux用设备文件表示大部分I／O设备。文件系统提供了统一的接口来访问一般意义上的文件和设备文件。
      系统串口COMl与COM2，分别对应uClinux系统的／dev／ttyS0 ／dev／ttySl两个串口设备文件。串口属于字符型设备，对串口的编 程也就是对相应文件进行读／写、控制等操作。串口编程的基本步骤是：先打开串口，设置串口属性，然后进行收发数据，最后关闭串口。
(1)打开串口
      通过使用标准的文件打开函数open，达到访问串口设备驱动的目的。例如，以读写的方式打开串口1，可用下面的方法实现：
      fd=open(“／dev／ttyS0”，O_RDWR)；
(2)设置串口属性
      主要是设定结构体termios各成员的值。基本设置包括：波特率、数据位、校验位、停止位、输入和输出模式等。一般在设置时，先获取系统已有的串口属性，并在它的基础上进行修改。另外，设置时要用到系统预定义的宏。
      (结合实例的说明略。--编者注)
(3)收发数据
      uClinux下串几发送和接收数据，通过使用文件操作中的read和write的方法来实现。例如：
      write(fd，buffer，Length)；
      read(fd，buffer，Lerxgth)；
(4)关闭串口
      关闭串口只须关闭已打开的串口文件描述符，如close(fd)；

2 常用的几种I／O模型
      通常在操作I／O时，会用到下而几种模型之一：阻塞型I／O、非阻塞型I/O和复用型I／O。下面以读取串口数据为例，简要说明它们的基本工作原理和特点。
2.1 阻塞型I／O
      顾名思义，它以阻塞方式操作I／O，如图1所示。若一个进程以阻塞方式调用read函数读取串口数据，则该进程会一直睡眠在read系统调用上。此时系统 内核会一直等待数据，直到串口有数据到达为止。当串口数据准备好后，内核就把数据从内核拷贝至用户空间；而当数据拷贝完成后，才唤醒串口读取进程，通知它 读取数据报。

2.2 非阻塞I／O
      图2中，在非阻塞I/O模型下，I／O 操作是即时完成的。当进程调用read函数时，设置了0_NONBLOCK标志，那么即使串口没有数据可读，read函数也会立即返回。此时其返同值为 EAGAIN，表明串口数据未就绪。如果串口有数据可读，则read函数会读取该数据，并返回所读数据的长度。通常轮询I／O的方法就足采用这种模型来读 取串口数据的，此时进程必须通过反复调用来检测是否有数据可读。如果轮询频率过低，则容易丢失数据；轮询频率过高，则占用太多处理器的处理周期。
2.3 I／O复用
      上述两种I／O模型，是最常用的两种操 作I／O的方式；但在面向较复杂、需要处理多个I／O的系统时，这两种模型存在着不足之处。例如：在应用进程中需要对多个I／O设备进行监听，当某个设备可读或可写时，进程能马上得知，并进行相关处理。这时若采用阻塞方式操作I／O，则进程会阻塞在某个设备的 I／O读写操作上而不能适用于这种情况；若采用 非阻塞方式，则往往需要定时或循环地探测所有设备，才作相应处理，这种作法相当耗费系统中央处理器的执行周期。可见，上述的两个I／O模型都不能满足这类 应用，故此需要引入一种特别的I／O处理机制，即I／O复用。
      所谓I／O复用，是指当一个或多个I／O条件(可读、能写或出现异常)满足时，进程能立即知道，从而正确并高效地对它们进行处理。
      在uClinux下，系统提供select函数和poll函数，用来支持I／O复用的实现。如图3所示．若使用select的系统调用来查询是否有数据可 读时，进程是在等待多个I／O描述接口的任一个变为可读，但此期间并不阻塞进程。当有数据报已准备好时，返回可读条件，并通知进程再次进行系统调用准备读 取相应的I／O数据。此时内核就开始拷贝准备好的数据至用户空间，并返回指示进程处理数据报。

与上面提及的两种I／O模型不同的是：在这个处理过程中，使用了两次系统调用来达到读取数据的目的。虽然两次系统调用的开销似乎更大，但它的最大好处在于能同时等待多个描述符准备好。因此select调用功能更多地是借助了内核来监听I/O设备描述符的。
      下面具体介绍select函数的功能及应用。

3 uClinux中基于select的I／O复用机制和工作原理
      在系统存在多个输入或输出流但不希望其中任一个流被阻塞的场合，经常使用复用I／O的方法解决。uClinux中，用户程序多使用select机制实现I／O复用控制，select函数允许进程对一个或多个设备文件进行非阻塞的读或写操作。
      select的函数定义于< unistd．h> 中，原型如下：
      int select(int n，fd_set*reaclfds，fd_set*writefds，fd_set*exceptfds，struct timeval*timeout)；
      该函数允许进程指示内核等待多个事件中的任一个发生，并仅在一个或多个事件发生或经过某指定的时间后才唤醒进程。该函数的第1个参数n表示文件描述符集合 中最大值再加1；第2个参数readfds，表示可读的文件描述符集合，用于查看是否有可读取数据；第3个参数writefds表示可写的文件描述符集 合，用于查看是否能写入数据；第4个参数exceptfds用于异常控制；最后一个参数timeout决定了select将会阻塞多久才把控制权移交给调 用它的进程。调用select之前，必须对此参数进行初始化。若timeout值为O，则select直接返回O。此时I／O操作没有等待就立即返回，相 当于一种非阻塞I／O的调用。

select的参数：

int n是一个整数值，是指集合中所有文件描述符的范围，即所有文件描述符的最大值加1，不能错！在Windows中这个参数的值无所谓，可以设置不正确。

fd_set *readfds是指向fd_set结构的指针，这个集合中应该包括文件描述符，我们是要监视这些文件描述符的读变化的，即我们关心是否可以从这些文件中读取数据了，如果这个集合中有一个文件可读，select就会返回一个大于0的值，表示有文件可读，如果没有可读的文件，则根据timeout参数再判断是否超时，若超出timeout的时间，select返回0，若发生错误返回负值。可以传入NULL值，表示不关心任何文件的读变化。

fd_set *writefds是指向fd_set结构的指针，这个集合中应该包括文件描述符，我们是要监视这些文件描述符的写变化的，即我们关心是否可以向这些文件中写入数据了，如果这个集合中有一个文件可写，select就会返回一个大于0的值，表示有文件可写，如果没有可写的文件，则根据timeout参数再判断是否超时，若超出timeout的时间，select返回0，若发生错误返回负值。可以传入NULL值，表示不关心任何文件的写变化。

fd_set *errorfds同上面两个参数的意图，用来监视文件错误异常。

struct timeval* timeout是select的超时时间，这个参数至关重要，它可以使select处于三种状态，第一，若将NULL以形参传入，即不传入时间结构，就是将select置于阻塞状态，一定等到监视文件描述符集合中某个文件描述符发生变化为止；第二，若将时间值设为0秒0毫秒，就变成一个纯粹的非阻塞函数，不管文件描述符是否有变化，都立刻返回继续执行，文件无变化返回0，有变化返回一个正值；第三，timeout的值大于0，这就是等待的超时时间，即select在timeout时间内阻塞，超时时间之内有事件到来就返回了，否则在超时后不管怎样一定返回，返回值同上述。

返回值：

负值：select错误
正值：某些文件可读写或出错
0：等待超时，没有可读写或错误的文件

      在应用中，通常先调用select查看哪个I／O设备可读／写。如果没有可读／写的设备，并且没有设置超时返回功能，那么进程将阻塞在sekct调用上； 如果有，则select函数返回，紧接着可通过测试参数readfds和writef如来确定哪个I／O设备可读或能写，而后以非阻塞方式操作该I／O设 备，从而实现期望功能。
      在实现selcct应用的过程中，还会使用到这些select相关接口：

其中，fd_set表示设备文件描述符集合，fd表示设备文件 描述符。FD_ZERC)函数用于清除设备文件描述符集合所有元素；FD_SET函数用于把某个文件描述符添加至文件描述符集合；FD_cLR函数用于从 文件描述符集合中删除某个文件描述符；而FD_ISSET用于检测设备文件描述符集合的某个文件描述符是否有效，有效则表示该位对应的设备有数据可读或可 写。

自注：fd_set 　　select()机制中提供一fd_set的，实际上是一long类型的， 每一个数组元素都能与一打开的文件句柄(不管是socket句柄，还是其他文件或命名管道或设备句柄)建立联系，建立联系的工作由程序员完成，当调用 select()时，由内核根据IO状态修改fd_set的内容，由此来通知执行了select()的进程哪一socket或文件可读。 　
fd_set set; 　　
FD_ZERO(&set); /*将set清零使集合中不含任何fd*/ 　
FD_SET(fd, &set); /*将fd加入set集合*/ 　　
FD_CLR(fd, &set); /*将fd从set集合中清除*/ 　　
(fd, &set); /*测试fd是否在set集合中*/ 　　

4 轮询检测方法与select方法的比较
4.1 轮询检测方法
      轮询检测方法是指对串口进行非阻塞的读 写操作。当操作末成功时，让进程或线程挂起一段时间，然后再使用非阻塞调用来重新查询串口是否有可读／写数据。用此方法，相当于系统不断地对接收或者发送 操作的执行结果进行探测，直到把数据发出去或者接收完成定量的数据，才退出此轮询循环。而对于接收与发送不确定哪个时刻会到达的情况，即随机性比较高的读 ／写操作，采用轮询方法会造成CPU资源浪费。如果轮询频率过低，则会使系统少接收一部分数据或接收过慢；反之，则接收方会因为等待太久而不能接收更多新 的数据。轮询频率过高的情况，会让CPU过度频繁地查询串口状态，造成过多的耗用CPU执行周期，降低其利用率。
4．2 select机制能充分利用系统时间的原因
      与频繁调用菲阻塞读写函数来轮询监听I／O的方法相比，select调用允许用户把进程本身挂起来，同时使系统内核监听所要求的一组文件描述符的任何活 动。只要确认在任何被监控的文件描述符上出现活动，select调用将返回指示该设备文件已经准备好的信息。这样就使进程能相对实时地监测到I／O设备上 随机的变化，而不必由进程本身去探测输入数据是否准备好。