Linux驱动应用编程（三）UART串口

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本文目录

前述
一、手册查看
二、命令行调试串口
三、代码编写

前述

在开始实验前，请一定要检查测试好所需硬件是否使用正常，不然调试过程中出现的问题，会让你很烦恼。因为我在测试的时候发现一直接收不到消息，后面才知道ttl转usb的tx引脚坏了。所以确保硬件良好是我们后续测试的基本保障。

一、手册查看

我们前面讲到在Linux中一切皆是文件！无论是上一章节的GPIO，还是串口这边都同样如此。首先，我们就先来使用命令行基本调试一下我们的串口，来确保串口的可用性。无论是什么开发板，我们都需要先查看手册来确定开发板的串口io。这里以香橙派AIPro为例，手册中提醒我们串口0已经被系统使用，不能当作普通串口给用户使用。 所以用户可用串口只有两个。分别是UART7和UART2。

在这里插入图片描述

查看设备节点，如下所示。
在这里插入图片描述

二、命令行调试串口

1. 查看设备节点

设备节点都在 /dev目录下。
在这里插入图片描述

2. 使用stty命令设置串口

常用配置：stty -F /dev/ttyAMA2 115200 cs8 -parenb -cstopb iutf8

在这里插入图片描述

3. 查看串口配置信息

命令：stty -F /dev/ttyAMA2 -a
在这里插入图片描述

4. 调试串口

我们使用TTL转USB接口连接香橙派与电脑，使用串口调试助手测试。注意：在串口助手中要设置为UTF8显示。
坑：在使用TTL连接时，一定要接地线！以保证电气基准电位！不要只接TX和RX！！

（1）香橙派发送数据
在这里插入图片描述

（2）香橙派接收数据
在这里插入图片描述

三、代码编写

终端设备属性结构体，我们在操作一些设备文件时，常常会用到下面这个结构体。在Unix系统中常用于控制终端的输入输出参数，比如波特率、字符大小、控制字符等。通过操作这个结构体，可以对终端的各种属性进行设置和获取。
头文件：#include<termios.h>

struct termios {
	unsigned short c_iflag;//控制终端的输入方式，如是否启用回车、换行等
	unsigned short c_oflag; //控制终端的输出方式，如是否启用回车、换行等。
	unsigned short c_cflag; //控制终端的控制模式，如波特率、数据位数等。
	unsigned short c_lflag;//控制终端的本地模式，如是否启用回显、是否启用信号等。
	unsigned char c_line;//行（线）规程，指定终端的行规程，比如终端是终端设备还是伪终端设备。
	unsigned char c_cc[NCC]; //控制字符数组，用于定义特殊控制字符的行为，比如终端中的删除、结束、停止等功能键的行为。
};

这些成员里都有很多配置参数的宏定义，我们只需要将成员与要配置参数的宏定义进行|=（置1）或&=~（置0）操作即可配置相应功能。我这里只先列举出来几个常用的功能。这里我将不再展示参数的宏定义，因为太多了，很多也用不到，有需要的自己去查看其他博客来学习。

●配置举例如下：

struct termios termios_p; //初始化结构体
termios_p.c_cflag |=CS8; //设置八位数据位。
termios_p.c_cflag &=~CSTOPB; //设置一位停止位。
termios_p.c_cflag &=~PARENB; //无奇偶校验位。
termios_p.c_lflag &=~ECHO ; //不回显

1. 常用API

（1）设置波特率。
波特率，常用 B2400，B4800，B9600，B115200，B460800。

int cfsetispeed(struct termios *termios_p,speed_t speed)  //设置接收波特率
int cfsetospeed(struct termios *termios_p,speed_t speed)  //设置发送波特率
//

（2）清空缓冲区数据。
主要用于清除输入和输出缓冲区中的数据。这个命令在处理串口通信时非常有用，特别是在初始化或重置通信通道时，以确保没有残留的数据干扰通信。

int tcflush(int fd,int queue_selector)
//int fd ：文件描述符
//int queue_selector： 
/*	        TCIFLUSH:清空正读的数据，且不会读出
			TCOFLUSH:清空正写入的数据，且不会发送到终端
			TCIOFLUSH:清空所有正在发生的 I/O 数据.
	*/

（3）获取终端设备参数。
函数的作用是获取指定文件描述符（fd）所关联的终端设备的当前属性，并将这些属性存储到指定的 termios 结构体（termios_p）中。

int tcgetattr(int fd,struct termios *termios_p)
//int fd ：文件描述符。
//struct termios *termios_p： 设备终端结构体。

（4）设置终端设备参数，激活配置。

int tcsetattr(int fd,int optional_actions,cons struct termios *termios_p)
//int fd ：文件描述符。
//int optional_actions ：
/*			TCSANOW:不等数据传输完毕，立即改变属性
			TCSADRAIN:等所有数据传输完毕，再改变属性
			TCSAFLUSH:清空输入输出缓冲区才改变属性
*/		
//cons struct termios *termios_p ：终端设备属性的结构体。

2. 例程

uart.c

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

void UART_Close(int fd)
{
   close(fd);
}

int UART_Send(int fd, char *data)
{
    int num;
    num=write(fd, data, strlen(data));
    return num;
}


int UART_Receive(int fd, char *receive)
{
    int num;
    num=read(fd, receive, sizeof(receive)-1);
    return num;
}

int UART_Init(char *device, int baud)
{
	int fd;
	int ret;
	struct termios termios_p; 
//1.打开串口设备。不当作控制台。
    fd = open(device, O_NOCTTY | O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("open error");
        return -1;
    }
//2. 填充设备结构体
	memset(&termios_p, 0 ,sizeof(termios_p));
	termios_p.c_cflag |= CREAD;     //使能接收器的接收功能！必须配置的。
	termios_p.c_cflag |= CLOCAL;    //忽略调制解调器线路状态。
	termios_p.c_cflag |=CS8;        //设置八位数据位。
	
    //这里为了方便观看，所以写出来下面的配置，这里其实可以不写，因为我们已经先前清空结构体了。
	termios_p.c_cflag &=~CSTOPB; //设置一位停止位。
	termios_p.c_cflag &=~PARENB; //无奇偶校验位。
	termios_p.c_lflag &=~ECHO ; //不回显
	
	// 设置超时和最小读取字符数。必须配置！！
    termios_p.c_cc[VTIME] = 1;
    termios_p.c_cc[VMIN] = 128;
	
    switch (baud){  //设置波特率
			case 9600:
						cfsetispeed(&termios_p,B9600);  //设置接收波特率
						cfsetospeed(&termios_p,B9600);  //设置发送波特率
						break;
			case 115200:
						cfsetispeed(&termios_p,B115200);  //设置接收波特率
						cfsetospeed(&termios_p,B115200);  //设置发送波特率
						break;
			default:
						printf("不支持此波特率\n");
						break;
   }
   
//3. 清空接收/发送缓冲，准备发送和接收数据 
	tcflush(fd, TCIOFLUSH);

//4. 将配置好的设备结构体设置上（绑定），激活设置的配置。
	ret =tcsetattr( fd,TCSAFLUSH,&termios_p);
	if (ret < 0) {
        perror("tcsetattr error");
        return -3;
    }
	
	return fd; //返回文件描述符
}

uart.h

#ifndef __UART_H
#define __UART_H

void UART_Close(int fd);
int UART_Init(char *device, int baud);
int UART_Receive(int fd, char *receive);
int UART_Send(int fd, char *data);
#endif

main.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "uart.h" 
#include <unistd.h>
#include <termios.h>
#include <string.h>
int main()
{
	char buff[100];
	int fd;
	fd=UART_Init("/dev/ttyAMA2",115200);
	if(fd<0){
		perror("UART_Init error");
		return -1;
	}
	
	while(1){
		fgets(buff,sizeof(buff),stdin);
		UART_Send(fd, buff);
	}
	
	UART_Close(fd);
	return 0;
}

在这里插入图片描述

●线程优化

功能：添加线程实现可收可发！
main.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "uart.h" 
#include <unistd.h>
#include <termios.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <signal.h>

pthread_attr_t attr; //线程属性
int fd;  //文件描述符

void signal_task(int arg)
{
    printf("销毁相关属性\n");
	pthread_attr_destroy(&attr); //销毁线程属性
    UART_Close(fd);
    exit(0);
}

// 线程任务函数
void *task(void *arg) {
    int fd = *(int *)arg;
    int ret;
    char buff[64];

    while (1) {
		        memset(buff, 0, sizeof(buff));
		        ret = UART_Receive(fd, buff); // 读取数据到buff中
		        if (ret > 0) {
		            buff[ret] = '\0'; // 确保字符串以NULL结尾
		            printf("Receive: %s\n", buff);
		        } 
		        else break;
             }
    pthread_exit(NULL);
}

int main()
{
	char buff[100];
	int ret;
	pthread_t thread;

	fd=UART_Init("/dev/ttyAMA2",115200);
	if(fd<0){
		perror("UART_Init error");
		return -1;
	}
	
	signal(2, signal_task);
	
	pthread_attr_init(&attr);  //初始化线程属性
	pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED); //设置子线程分离属性，子线程推出后自动销毁。
	ret=pthread_create(&thread,NULL,task,(void *)&fd); //只有一个子线程，可以取地址操作。
	if(ret<0){
         perror("pthread_create error");
         return -1;
    }
    
	while(1){
	    memset(buff,0,sizeof(buff));
		fgets(buff,sizeof(buff),stdin);
		UART_Send(fd, buff);
	}
	
	return 0;
}

在这里插入图片描述

●poll优化

当没有事件要读写时，释放CPU。当有事件发生时，执行相应动作。

uart.c

#include <poll.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <termios.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <termios.h>
#include "uart.h"

extern struct pollfd fds; 

void UART_Close(int fd)
{
   close(fd);
}

int UART_Send(int fd, char *data)
{ 
    int num;
    int ret;
    ret = poll(&fds, 1, 0);
	if (ret == -1) {
			perror("poll");
			return -1;
	 } 
    else if (ret > 0) {
   		 if(fds.revents &POLLOUT){
		    num=write(fd, data, strlen(data));
		    return num;
	    }
    }
}

int UART_Receive(int fd, char *receive)
{
    int num;
	int ret;
	ret = poll(&fds, 1, 0);
	if (ret == -1) {
		perror("poll");
		return -1;
	} 
	else if (ret > 0) {
		if(fds.revents &POLLIN){
		    num=read(fd, receive, sizeof(receive)-1);
		    return num;
		}
	}
}

int UART_Init(char *device, int baud)
{
	int fd;
	int ret;
	struct termios termios_p; 
//1.打开串口设备。不当作控制台。
    fd = open(device, O_NOCTTY | O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("open error");
        return -1;
    }
//2. 填充设备结构体
	memset(&termios_p, 0 ,sizeof(termios_p));
	termios_p.c_cflag |= CREAD;     //使能接收器的接收功能！必须配置的。
	termios_p.c_cflag |= CLOCAL;    //忽略调制解调器线路状态。
	termios_p.c_cflag |=CS8;        //设置八位数据位。
	
    //这里为了方便观看，所以写出来下面的配置，这里其实可以不写，因为我们已经先前清空结构体了。
	termios_p.c_cflag &=~CSTOPB; //设置一位停止位。
	termios_p.c_cflag &=~PARENB; //无奇偶校验位。
	termios_p.c_lflag &=~ECHO ; //不回显
	
	// 设置超时和最小读取字符数。必须配置！！
    termios_p.c_cc[VTIME] = 1;
    termios_p.c_cc[VMIN] = 128;
	
    switch (baud){  //设置波特率
			case 9600:
						cfsetispeed(&termios_p,B9600);  //设置接收波特率
						cfsetospeed(&termios_p,B9600);  //设置发送波特率
						break;
			case 115200:
						cfsetispeed(&termios_p,B115200);  //设置接收波特率
						cfsetospeed(&termios_p,B115200);  //设置发送波特率
						break;
			default:
						printf("不支持此波特率\n");
						break;
   }
   
//3. 清空接收/发送缓冲，准备发送和接收数据 
	tcflush(fd, TCIOFLUSH);

//4. 将配置好的设备结构体设置上（绑定），激活设置的配置。
	ret =tcsetattr( fd,TCSAFLUSH,&termios_p);
	if (ret < 0) {
        perror("tcsetattr error");
        return -3;
    }
	
	return fd; //返回文件描述符
}

main.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <termios.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <signal.h>
#include <poll.h>
#include "uart.h" 

pthread_attr_t attr; //线程属性
int fd;  //文件描述符
struct pollfd fds;

void signal_task(int arg)
{
    printf("销毁相关属性\n");
    UART_Close(fd);
    pthread_attr_destroy(&attr); //销毁线程属性
    exit(0);
}

// 线程任务函数
void *task(void *arg) {
    int ret;
    char buff[64];
    while (1) {
			        memset(buff, 0, sizeof(buff));
			        ret = UART_Receive(fds.fd, buff); // 读取数据到buff中
			        if (ret > 0) {
			            buff[ret] = '\0'; // 确保字符串以NULL结尾
			            printf("Receive: %s\n", buff);
			        } 
			        else if(ret <0) break;
             }
    pthread_exit(NULL);
}

int main()
{
	char buff[100];
	int ret;
	pthread_t thread;
	char poll_state[64];

	fd=UART_Init("/dev/ttyAMA2",115200);
	if(fd<0){
		perror("UART_Init error");
		return -1;
	}
	
	fds.fd=fd;
	fds.events = POLLOUT|POLLIN; // 有普通事件写/有普通事件读

	signal(2, signal_task);
	
	pthread_attr_init(&attr);  //初始化线程属性
	pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED); //设置子线程分离属性，子线程推出后自动销毁。
	ret=pthread_create(&thread,NULL, task, NULL); //只有一个子线程，可以取地址操作。
	if(ret<0){
         perror("pthread_create error");
         return -1;
    }
    
	while(1){
	    memset(buff,0,sizeof(buff));
		fgets(buff,sizeof(buff),stdin);
		UART_Send(fds.fd, buff);
	  }
	return 0;
}

●select优化（功能和poll一样）

select 函数可以监视多个文件描述符，等待其中的一个或多个变为“就绪”状态。其功能和poll一样。
使用步骤：先定义一个结构体（检测读/ 检测写），将检测的文件描述符添加到这个结构体中。然后使用select进行绑定检测，如果检测到有事件发生，则函数返回值大于0，然后再进入大于0的函数体判断文件描述符在哪个结构体中（读结构体还是写结构体），如果文件描述符在写的结构体中，就进行写操作。反之相同。
返回值：成功时，返回已就绪的文件描述符数量。超时且没有文件描述符就绪时，返回0。出错时，返回-1，并设置 errno。

<1> 函数原型

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
/*
	nfds：指定要监视的文件描述符的数量。其值应为所有文件描述符中最大值加1。
	readfds：指向 fd_set 结构的指针，表示需要监视的可读文件描述符集合。
	writefds：指向 fd_set 结构的指针，表示需要监视的可写文件描述符集合。
	exceptfds：指向 fd_set 结构的指针，表示需要监视的异常文件描述符集合。
	timeout：指向 timeval 结构的指针，指定等待的超时时间。如果为 NULL，select 将无限等待。
*/

<2> 相关宏函数

FD_ZERO(fd_set *set);    // fd_set 结构清零。
FD_SET(int fd, fd_set *set);  //在 fd_set 结构中添加一个文件描述符。
FD_CLR(int fd, fd_set *set);  //从 fd_set 结构中删除一个文件描述符。
FD_ISSET(int fd, fd_set *set);  //检查文件描述符是否在 fd_set 结构中。

<3> 优化示例
uart.c

#include <sys/select.h>
#include <sys/time.h>
int UART_Send(int fd, char *data)
{ 
    int num;
    int ret;
    fd_set writefds;
    struct timeval timeout;
    
    // 设置超时时间100ms
    timeout.tv_sec = 0;
    timeout.tv_usec = 100000;
    FD_ZERO(&writefds); //清空结构体，丢弃原来旧的数据。
    FD_SET(fd, &writefds);  //在 fd_set 结构中添加一个文件描述符。

    ret=select(fd+1,  NULL, &writefds , NULL, &timeout);
	if (ret == -1) {
			perror("select");
			return -1;
	 } 
    else if (ret > 0) {
   		 if(FD_ISSET(fd,&writefds)){
		    num=write(fd, data, strlen(data));
		    return num;
	    }
    }
}

int UART_Receive(int fd, char *receive)
{
    int num;
	int ret;
	fd_set readfds;
	struct timeval timeout;
    
    // 设置超时时间100ms
    timeout.tv_sec = 0;
    timeout.tv_usec = 100000;
    FD_ZERO(&readfds); //清空结构体，丢弃原来旧的数据。
    FD_SET(fd, &readfds);  //在 fd_set 结构中添加一个文件描述符。

    ret=select(fd+1,  &readfds, NULL, NULL, &timeout);
	if (ret == -1) {
		perror("poll");
		return -1;
	} 
	else if (ret > 0) {
		if(FD_ISSET(fd, &readfds)){
		    num=read(fd, receive, sizeof(receive)-1);
		    return num;
		}
	}
}

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前述

一、手册查看

二、命令行调试串口

1. 查看设备节点

2. 使用stty命令设置串口

3. 查看串口配置信息

4. 调试串口

三、代码编写

1. 常用API

2. 例程

●线程优化

●poll优化

●select优化（功能和poll一样）

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