Linux纯C串口开发

为什么要用纯C语言

为了数据流动加速，实现低配CPU建立高速数据流而不用CPU干预，避免串口数据流多次反复上升到软件应用层又下降低到硬件协议层。

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关于`termios.h`

麻烦的是，在 Linux 中使用串口并不是一件最简单的事情。在处理 termios.h 标头时，有许多挑剔的设置隐藏在多个字节的位字段中。本文将试图帮助解释这些设置并向您展示如何在 Linux 中正确配置串行端口。

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一切都是文件

在典型的 UNIX 风格中，串行端口由操作系统中的文件表示。这些文件通常在 /dev/ 中弹出，并以名称 tty* 开头。常见的名称如下：

/dev/ttyACM0: ACM 代表 USB 总线上的 ACM 调制解调器。 Arduino UNO（和类似的）将使用此名称出现。
/dev/ttyPS0：运行基于 Yocto 的 Linux 版本的 Xilinx Zynq FPGA 将使用此名称作为 Getty 连接到的默认串行端口。
/dev/ttyS0：通常情况下标准 COM 端口用的此名称。如今，由于较新的台式机和笔记本电脑没有实际的 COM 端口，这种情况已不太常见。
/dev/ttyUSB0：大多数 USB 转串口电缆将使用这样命名的文件显示。
/dev/pts/0 - 伪终端。这些可以使用 socat 生成。

下图展示了一块常见的开发板提供的串口设备：

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要写入串行端口，请写入文件。要从串行端口读取，请从文件中读取。当然，这允许您发送/接收数据，但是如何设置串口参数，例如波特率、奇偶校验等。这是由特殊的 tty 配置 struct 设置的。

开发C代码

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首先需要包含一些头文件

// C library headers
#include <stdio.h>
#include <string.h>

// Linux headers
#include <fcntl.h> // Contains file controls like O_RDWR
#include <errno.h> // Error integer and strerror() function
#include <termios.h> // Contains POSIX terminal control definitions
#include <unistd.h> // write(), read(), close()

然后我们要打开串行端口设备（在 /dev/ 下显示为文件），保存 open() 返回的文件描述符：

int serial_port = open("/dev/ttyUSB0", O_RDWR);

// Check for errors
if (serial_port < 0) {
    printf("Error %i from open: %s\n", errno, strerror(errno));
}

您可能在此处看到的常见错误之一是 errno = 2 ，并且 strerror(errno) 返回 No such file or directory 。确保您拥有设备的正确路径并且该设备存在！

您可能在这里遇到的另一个常见错误是 errno = 13 ，即 Permission denied 。这通常是因为当前用户不属于dialout组的一部分而发生。使用以下命令将当前用户添加到 dialout 组：

sudo adduser $USER dialout

上述命令没有立即生效。您可以选择注销并重新登录，也可以使用其它工具让它立即生效。

此时，我们可以从技术上读取和写入串行端口，但它可能不起作用，因为默认配置设置不是为串行端口使用而设计的。所以现在我们将正确设置配置。

修改任何配置值时，最佳做法是仅修改您感兴趣的bit位，并保持字段的所有其它bit位不变。这就是为什么您会在下面看到设置位时使用 &= 或 |= ，而不是 = 。

串口启动配置

我们需要访问 termios 结构才能配置串行端口。我们将创建一个新的 termios 结构体，然后使用 tcgetattr() 将串口的现有配置写入其中，然后根据需要修改参数并使用 tcsetattr()

// Create new termios struct, we call it 'tty' for convention
// No need for "= {0}" at the end as we'll immediately write the existing
// config to this struct
struct termios tty;

// Read in existing settings, and handle any error
// NOTE: This is important! POSIX states that the struct passed to tcsetattr()
// must have been initialized with a call to tcgetattr() overwise behaviour
// is undefined
if(tcgetattr(serial_port, &tty) != 0) {
    printf("Error %i from tcgetattr: %s\n", errno, strerror(errno));
}

我们现在可以根据需要更改 tty 的设置，如以下部分所示。在我们开始之前，如果您感兴趣的话，这里是 termios 结构的定义（从 termbits.h 中提取）：

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 */
};

串口参数配置`c_cflags`

termios 结构的 c_cflag 成员包含控制参数字段。

PARENB (Parity)

如果设置该位，则启用奇偶校验位的生成和检测。大多数串行通信不使用奇偶校验位，因此如果您不确定，请清除该位。

tty.c_cflag &= ~PARENB; // Clear parity bit, disabling parity (most common)
tty.c_cflag |= PARENB;  // Set parity bit, enabling parity

CSTOPB (停止位)

如果设置该位，则使用两个停止位。如果该位被清除，则仅使用一个停止位。大多数串行通信仅使用一个停止位。

tty.c_cflag &= ~CSTOPB; // Clear stop field, only one stop bit used in communication (most common)
tty.c_cflag |= CSTOPB;  // Set stop field, two stop bits used in communication

字节的位数

CS<number> 字段设置通过串行端口每个字节传输多少数据位。这里最常见的设置是 8 ( CS8 )。如果你不确定的话，一定要使用这个，我以前从来没有使用过串口，之前没有使用过8（但它们确实存在）。在使用 &= ~CSIZE 设置任何大小位之前，您必须清除所有大小位。

tty.c_cflag &= ~CSIZE; // Clear all the size bits, then use one of the statements below
tty.c_cflag |= CS5; // 5 bits 每字节
tty.c_cflag |= CS6; // 6 bits 每字节
tty.c_cflag |= CS7; // 7 bits 每字节
tty.c_cflag |= CS8; // 8 bits 每字节 (most common)

CRTSCTS（硬件流控制）

如果设置了 CRTSCTS 字段，则启用硬件RTS/CTS流控制。这是当端点之间有两条额外的电线时，用于在数据准备好发送/接收时发出信号的情况。这里最常见的设置是禁用它。在应该禁用它的时候启用它可能会导致您的串行端口接收不到数据，因为发送者将无限期地缓冲它，等待您“准备好”。少于3根线的串口一定没有这个功能，应该禁用。

tty.c_cflag &= ~CRTSCTS; // Disable RTS/CTS hardware flow control (most common)
tty.c_cflag |= CRTSCTS;  // Enable RTS/CTS hardware flow control

有关与流量控制相关的其他设置，请参阅的串口流量控制相关文章。

CREAD 和 CLOCAL

设置 CLOCAL 禁用调制解调器特定的信号线，例如载波检测。它还可以防止在检测到调制解调器断开连接时向控制进程发送 SIGHUP 信号，这通常是一件好事。设置 CREAD 允许我们读取数据（我们绝对想要这样！）。

tty.c_cflag |= CREAD | CLOCAL; // Turn on READ & ignore ctrl lines (CLOCAL = 1)

`c_lflag`

禁用规范模式

UNIX系统提供两种基本的输入模式：规范模式和非规范模式。在规范模式下，当收到新行字符时处理输入。接收应用程序逐行接收该数据。在处理串行端口时，这通常是不受欢迎的，因此我们通常希望禁用规范模式。禁用规范模式：

tty.c_lflag &= ~ICANON;

此外，在规范模式下，某些字符（例如退格键）会被特殊处理，用于编辑当前文本行（擦除）。同样，如果处理原始串行数据，我们不希望使用此功能，因为它会导致特定字节丢失！

回应（Echo）

如果设置了该位，发送的字符将被回显。因为我们禁用了规范模式，所以我认为这些位实际上没有做任何事情，但以防万一禁用它们也没有什么坏处！串口默认启用了这个模式，因为测试硬件的正确性经常需要TX/RX短接。

tty.c_lflag &= ~ECHO; // Disable echo
tty.c_lflag &= ~ECHOE; // Disable erasure
tty.c_lflag &= ~ECHONL; // Disable new-line echo

禁用信号字符

当设置 ISIG 位时，将解释 INTR 、 QUIT 和 SUSP 字符。我们不希望使用串行端口，因此请清除此位：

tty.c_lflag &= ~ISIG; // Disable interpretation of INTR, QUIT and SUSP

输入模式（`c_iflag`）

termios的输入流与输出流是分开配置的。因为大部分场景下输入流与输出流的配置相同，所以termios显得比较麻烦。termios 结构的 c_iflag 成员包含输入处理的低级设置。 c_iflag 成员是 int 。

软件流控制（`IXOFF`、`IXON`、`IXANY`）

清除 IXOFF 、 IXON 和 IXANY 会禁用软件流控制，这是我们不想要的：

tty.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY); // Turn off s/w flow ctrl

禁用接收时字节的特殊处理

在将字节传递给应用程序之前，清除以下所有位将禁用串行端口接收字节时对字节的任何特殊处理。我们只想要原始数据！

tty.c_iflag &= ~(IGNBRK|BRKINT|PARMRK|ISTRIP|INLCR|IGNCR|ICRNL); // Disable any special handling of received bytes

输出模式（`c_oflag`）

termios 结构的 c_oflag 成员包含输出处理的低级设置。配置串行端口时，我们希望禁用对输出字符/字节的任何特殊处理，因此请执行以下操作：

tty.c_oflag &= ~OPOST; // Prevent special interpretation of output bytes (e.g. newline chars)
tty.c_oflag &= ~ONLCR; // Prevent conversion of newline to carriage return/line feed
// tty.c_oflag &= ~OXTABS; // Prevent conversion of tabs to spaces (NOT PRESENT IN LINUX)
// tty.c_oflag &= ~ONOEOT; // Prevent removal of C-d chars (0x004) in output (NOT PRESENT IN LINUX)

OXTABS 和 ONOEOT 在 Linux 中都没有定义。然而，Linux 确实有似乎相关的 XTABS 字段。当针对 Linux 进行编译时，我只是排除这两个字段，串行端口仍然可以正常工作。

`VMIN` 和 `VTIME` (`c_cc`)

VMIN 和 VTIME 是许多程序员在尝试在 Linux 中配置串行端口时感到困惑的根源。需要注意的重要一点是， VTIME 的含义略有不同，具体取决于 VMIN 的含义。当 VMIN 为 0 时， VTIME 指定从 read() 调用开始时的超时。但当 VMIN > 0 时， VTIME 指定从第一个接收到的字符开始算起的超时时间。让我们探索不同的组合：

VMIN = 0，VTIME = 0：无阻塞，立即返回可用内容
VMIN > 0，VTIME = 0：这将使 read() 始终等待字节（具体多少由 VMIN 确定），因此 read() 可能无限期阻塞。
VMIN = 0，VTIME > 0：这是对任意数量的字符的阻塞读取，具有最大超时（由 VTIME 给出）。 read() 将阻塞，直到有任意数量的数据可用或发生超时。这恰好是我最喜欢的模式（也是我使用最多的模式）。
VMIN > 0、VTIME > 0：阻塞直至收到 VMIN 个字符，或在第一个字符过去后 VTIME 。请注意， VTIME 的超时直到收到第一个字符后才开始。

VMIN 和 VTIME 都定义为类型 cc_t ，我一直认为它是 unsigned char （1 字节）的别名。这将 VMIN 字符数的上限设置为 255，最大超时设置为 25.5 秒（255 分秒）。

收到数据后立即返回并不意味着一次只能获取 1 个字节。根据操作系统延迟、串行端口速度、硬件缓冲区和您无法直接控制的许多其他因素，您可能会收到任意数量的字节。例如，如果我们想等待最多 1 秒，一旦收到任何数据就返回，我们可以使用：

tty.c_cc[VTIME] = 10;    // Wait for up to 1s (10 deciseconds), returning as soon as any data is received.
tty.c_cc[VMIN] = 0;

波特率

串行端口波特率不是像所有其他设置那样使用位字段，而是通过调用函数 cfsetispeed() 和 cfsetospeed() 并传入指向 tty ：

// Set in/out baud rate to be 9600
cfsetispeed(&tty, B9600);
cfsetospeed(&tty, B9600);

如果您想保持 UNIX 兼容，则必须从以下选项之一中选择波特率：

B0,  B50,  B75,  B110,  B134,  B150,  B200, B300, B600, B1200, B1800, B2400, B4800, B9600, B19200, B38400, B57600, B115200, B230400, B460800

Linux 的某些实现提供了一个辅助函数 cfsetspeed() ，它同时设置输入和输出速度：

cfsetspeed(&tty, B9600);

自定义波特率

由于您现在完全意识到配置 Linux 串行端口并非小事，因此您可能不会因为设置自定义波特率同样困难而感到困惑。没有可移植的方法来执行此操作，因此请准备好尝试以下代码示例，以了解哪些内容适用于您的目标系统。

GNU/Linux 方法

如果您使用 GNU C 库进行编译，则可以放弃上面的标准枚举，只需直接为 cfsetispeed() 和 cfsetospeed() 指定整数波特率，例如：

// Specifying a custom baud rate when using GNU C
cfsetispeed(&tty, 104560);
cfsetospeed(&tty, 104560);

termios2方法

此方法依赖于使用 termios2 结构，该结构类似于 termios 结构，但功能明显更多。我不确定 termios2 到底是在什么 UNIX 系统上定义的，但如果是的话，它通常是在 termbits.h 中定义的（它是在我正在做的带有 GCC 系统的 Xubuntu 18.04 上）这些测试）：

struct termios2 {
	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 */
};

这与普通的旧 termios 非常相似，除了添加了 c_ispeed 和 c_ospeed 。我们可以使用这些来直接设置自定义波特率！我们几乎可以以与 termios 完全相同的方式设置除波特率之外的所有内容，除了从文件描述符读取/写入终端属性之外 - 而不是使用 tcgetattr() 和 tcsetattr() 我们必须使用 ioctl() 。

让我们首先更新我们的包含，我们必须删除 termios.h 并添加以下内容：

// #include <termios.h> This must be removed! 
// Otherwise we'll get "redefinition of ‘struct termios’" errors
#include <sys/ioctl.h> // Used for TCGETS2/TCSETS2, which is required for custom baud rates
struct termios2 tty;

// Read in the terminal settings using ioctl instead
// of tcsetattr (tcsetattr only works with termios, not termios2)
ioctl(fd, TCGETS2, &tty);

// Set everything but baud rate as usual
// ...
// ...

// Set custom baud rate
tty.c_cflag &= ~CBAUD;
tty.c_cflag |= CBAUDEX;
// On the internet there is also talk of using the "BOTHER" macro here:
// tty.c_cflag |= BOTHER;
// I never had any luck with it, so omitting in favour of using
// CBAUDEX
tty.c_ispeed = 123456; // What a custom baud rate!
tty.c_ospeed = 123456;

// Write terminal settings to file descriptor
ioctl(serial_port, TCSETS2, &tty);

请阅读上面关于 BOTHER 的评论。也许在你的系统上这个方法会起作用！

并非所有硬件都支持所有波特率，因此如果可以选择，最好坚持使用上述标准 BXXX 速率之一。如果您不知道波特率是多少，并且尝试与第三方系统通信，请尝试 B9600 ，然后 B57600 ，然后 B115200 因为它们是最常见的波特率。

使配置生效

更改这些设置后，我们可以使用 tcsetattr() 传递 tty termios 结构到硬件：

// Save tty settings, also checking for error
if (tcsetattr(serial_port, TCSANOW, &tty) != 0) {
    printf("Error %i from tcsetattr: %s\n", errno, strerror(errno));
}

读写串口数据

现在我们已经打开并配置了串口，我们可以对其进行读写了！

对Linux串口的写入是通过 write() 函数完成的。我们使用上面调用 open() 返回的 serial_port 文件描述符。

unsigned char msg[] = { 'H', 'e', 'l', 'l', 'o', '\r' };
write(serial_port, msg, sizeof(msg));

读取是通过 read() 函数完成的。你必须为 Linux 提供一个缓冲区来写入数据。

// Allocate memory for read buffer, set size according to your needs
char read_buf [256];

// Read bytes. The behaviour of read() (e.g. does it block?,
// how long does it block for?) depends on the configuration
// settings above, specifically VMIN and VTIME
int n = read(serial_port, &read_buf, sizeof(read_buf));

// n is the number of bytes read. n may be 0 if no bytes were received, and can also be negative to signal an error.

用完了记得要关闭

close(serial_port);

完整代码

// C library headers
#include <stdio.h>
#include <string.h>

// Linux headers
#include <fcntl.h> // Contains file controls like O_RDWR
#include <errno.h> // Error integer and strerror() function
#include <termios.h> // Contains POSIX terminal control definitions
#include <unistd.h> // write(), read(), close()

int main() {
  // Open the serial port. Change device path as needed (currently set to an standard FTDI USB-UART cable type device)
  int serial_port = open("/dev/ttyUSB0", O_RDWR);

  // Create new termios struct, we call it 'tty' for convention
  struct termios tty;

  // Read in existing settings, and handle any error
  if(tcgetattr(serial_port, &tty) != 0) {
      printf("Error %i from tcgetattr: %s\n", errno, strerror(errno));
      return 1;
  }

  tty.c_cflag &= ~PARENB; // Clear parity bit, disabling parity (most common)
  tty.c_cflag &= ~CSTOPB; // Clear stop field, only one stop bit used in communication (most common)
  tty.c_cflag &= ~CSIZE; // Clear all bits that set the data size 
  tty.c_cflag |= CS8; // 8 bits per byte (most common)
  tty.c_cflag &= ~CRTSCTS; // Disable RTS/CTS hardware flow control (most common)
  tty.c_cflag |= CREAD | CLOCAL; // Turn on READ & ignore ctrl lines (CLOCAL = 1)

  tty.c_lflag &= ~ICANON;
  tty.c_lflag &= ~ECHO; // Disable echo
  tty.c_lflag &= ~ECHOE; // Disable erasure
  tty.c_lflag &= ~ECHONL; // Disable new-line echo
  tty.c_lflag &= ~ISIG; // Disable interpretation of INTR, QUIT and SUSP
  tty.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY); // Turn off s/w flow ctrl
  tty.c_iflag &= ~(IGNBRK|BRKINT|PARMRK|ISTRIP|INLCR|IGNCR|ICRNL); // Disable any special handling of received bytes

  tty.c_oflag &= ~OPOST; // Prevent special interpretation of output bytes (e.g. newline chars)
  tty.c_oflag &= ~ONLCR; // Prevent conversion of newline to carriage return/line feed
  // tty.c_oflag &= ~OXTABS; // Prevent conversion of tabs to spaces (NOT PRESENT ON LINUX)
  // tty.c_oflag &= ~ONOEOT; // Prevent removal of C-d chars (0x004) in output (NOT PRESENT ON LINUX)

  tty.c_cc[VTIME] = 10;    // Wait for up to 1s (10 deciseconds), returning as soon as any data is received.
  tty.c_cc[VMIN] = 0;

  // Set in/out baud rate to be 9600
  cfsetispeed(&tty, B9600);
  cfsetospeed(&tty, B9600);

  // Save tty settings, also checking for error
  if (tcsetattr(serial_port, TCSANOW, &tty) != 0) {
      printf("Error %i from tcsetattr: %s\n", errno, strerror(errno));
      return 1;
  }

  // Write to serial port
  unsigned char msg[] = { 'H', 'e', 'l', 'l', 'o', '\r' };
  write(serial_port, msg, sizeof(msg));

  // Allocate memory for read buffer, set size according to your needs
  char read_buf [256];

  // Normally you wouldn't do this memset() call, but since we will just receive
  // ASCII data for this example, we'll set everything to 0 so we can
  // call printf() easily.
  memset(&read_buf, '\0', sizeof(read_buf));

  // Read bytes. The behaviour of read() (e.g. does it block?,
  // how long does it block for?) depends on the configuration
  // settings above, specifically VMIN and VTIME
  int num_bytes = read(serial_port, &read_buf, sizeof(read_buf));

  // n is the number of bytes read. n may be 0 if no bytes were received, and can also be -1 to signal an error.
  if (num_bytes < 0) {
      printf("Error reading: %s", strerror(errno));
      return 1;
  }

  // Here we assume we received ASCII data, but you might be sending raw bytes (in that case, don't try and
  // print it to the screen like this!)
  printf("Read %i bytes. Received message: %s", num_bytes, read_buf);

  close(serial_port);
  return 0; // success
};

独占串口设备

谨慎的做法是尝试阻止其他进程同时读取/写入串行端口。实现此目的的一种方法是使用 flock() 系统调用

 if(flock(fd, LOCK_EX | LOCK_NB) == -1) {
    //输出错误消息
 }

获取RX有多少个字节可读取

您可以将 FIONREAD 与 ioctl() 一起使用来查看串行端口 1 的操作系统输入（接收）缓冲区中是否有任何可用字节。这在轮询式方法中非常有用，其中应用程序在尝试读取字节之前定期检查字节。

#include <unistd.h>
#include <termios.h>

int main() {

  // ... get file descriptor here

  // See if there are bytes available to read
  int bytes;
  ioctl(fd, FIONREAD, &bytes);
}

ioctl() 函数将提供的指向整数 bytes 的指针写入可从串行端口读取的字节数。尽管获取和设置终端设置是通过文件描述符完成的，但这些设置适用于终端设备本身，并将影响正在使用或将要使用该终端的所有其他系统应用程序。这也意味着在文件描述符关闭后，甚至在更改设置的应用程序终止后，终端设置更改仍然存在。