10. 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：配套代码仓库/linux_app/tty

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。

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。

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。

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。

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。

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：

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。

可以看到有个名为“/dev/ttySTM*”的设备，“/dev/ttySTM*”就是开发板的串口， 其中“/dev/ttySTM0”为开发板的串口4，它已被默认被用在命令行的终端上。 而“/dev/ttySTM1”对应开发板串口1，“/dev/ttySTM3”对应开发板串口3。

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：

从上图中命令的执行结果可看到，ttySTM0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：

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。

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/ttySTM3， 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。

开发板串口3默认已经使能，若找不到 /dev/ttySTM3 设备， 请参考前面《fire-config工具简介》章节，使能开发板的串口3外设。 或者直接修改 /boot/uEnv.txt 文件

如下图:

串口3外设使能后，在/dev目录下生成ttySTM3设备文件，用stty工具查询其通信参数

打印消息如下所示:

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_TXDT2IN”、“UART3_RXDR2OUT”，如下图所示。

在Windows的电脑端，打开串口调试助手，如下图所示。

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。

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。

配置好串口调试助手后，尝试使用如下命令测试发送数据：

如下图:

可以看到，往/dev/ttySTM3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：

如下图:

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:

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。

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：

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。

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:

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

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:

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。

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：

Ubuntu主机上的minicom会显示接收到内容

如下图:

开发板接收串口内容的实验步骤如下：

如下图:

终端接收到的消息如下

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，gpio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？

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。

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。

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，它是在头文件包含的中定义的， 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。

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。

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，是我们从配套代码仓库/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。

修改终端串口波特率的示例代码如下所示。

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：

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：

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

对于ARM架构的程序，可使用如下步骤进行编译：

如下图:

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。

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。

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：

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。

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

工程示例文件如下所示。

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：

如下图:

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。

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。

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：

如下图:

对于ARM架构的程序，可使用如下步骤进行编译：

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ttySTM3设备，也可以自行指定输入设备路径。

如下图:

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。

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： 配套代码仓库/linux_app/tty/c_ioctl/glibc_file。

tcgetattr.c文件的内容如下。

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。