第十九节 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。
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。
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。
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。
本章节通过Linux 的终端设备文件进行串口通讯。
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：
# 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*
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。
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：
# 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ttySTM0 设备参数
stty -F /dev/ttySTM0
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：
# 在开发板的终端执行如下命令
# 查看设备参数
stty -F /dev/ttySTM0
# 设置通讯速率，其中ispeed 为输入速率，ospeed 为输出速率
stty -F /dev/ttySTM0 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。
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/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。
使能串口3
开发板串口3 默认已经使能，若找不到/dev/ttySTM3 设备，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:
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ttySTM3 设备文件，用stty 工具查询其通信参数
# 在开发板的终端执行如下命令
stty -F /dev/ttySTM3
打印消息如下所示:
root@npi:~# stty -F /dev/ttySTM3
speed 9600 baud; line = 0;
-brkint -imaxbel
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。
与Windows 主机通讯
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。
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。
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：
# 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/ttySTM3
echo embedfire > /dev/ttySTM3
#Windows 上的串口调试助手会接收到内容
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：
# 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/ttySTM3
#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
与Ubuntu 主机通讯
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:
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。
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：
# 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
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
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:
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。
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：
# 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/ttySTM3
echo embedfire > /dev/ttySTM3
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：
# 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/ttySTM3
#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:
终端接收到的消息如下
Ubuntu to board
embedfire
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，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？
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。
列表1: 串口通讯示例
#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/ttySTM3";
// const char default_path[] = "/dev/ttySTM3";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];elsepath = (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opttcgetattr(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。
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。
列表2: termios 结构体
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。
列表3: 波特率定义
//注意以0 开头的数字在是C 语言的8 进制数字形式
#define 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。
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。
列表4: 示例代码-修改串口波特率
//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：
#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：
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。
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。
列表5: 示例代码-配置停止位
//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。
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。
列表6: 示例代码-配置奇偶校验
//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。
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。
列表7: 示例代码-设置数据位长度位
//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。
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。
ARM 架构
对于ARM 架构的程序，可使用如下步骤进行编译：
# 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ttySTM3 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
# 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ttySTM3 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:
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。
列表8: 跟设备文件相关的函数操作
//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。
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：
#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。
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：配套代码仓库/linux_app/tty/c_ioctl。
工程示例文件如下所示。
列表9: 使用ioctl 的示例
#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/ttySTM3";
// const char default_path[] = "/dev/ttySTM3";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];elsepath = (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：
man ioctl_tty
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。
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。
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：
# 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:
ARM 架构
对于ARM 架构的程序，可使用如下步骤进行编译：
# 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ttySTM3 设备，也可以自行指定输入设备路径。
# 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/ ttySTM3# 程序需要使用sudo 运行./build_arm/tty_demo /dev/ttySTM3# 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:
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。
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。
列表10: tcgetattr 的glibc 源码
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_ISPEEDk_termios.c_ispeed = termios_p->c_ispeed;#endif#if _HAVE_C_OSPEED && _HAVE_STRUCT_TERMIOS_C_OSPEEDk_termios.c_ospeed = termios_p->c_ospeed;#endifmemcpy (&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。
参考资料:Linux 基础与应用开发实战指南——基于STM32MP1 系列
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