11. 串口通讯

本章主要讲解LubanCat-RK系列板卡的40pin引脚中串口的基本使用。

本章的示例代码目录为：base_linux/uart

11.1. 串口引脚关系

其中串口的引脚关系如下表所示

串口	引脚	功能
TXD	8	发送信号线
RXD	10	接受信号线

对应实物的40pin接口

• LubanCat-Zero系列使用的是uart8

• LubanCat-1和LubanCat-2系列使用的是uart3

• LubanCat-4使用的是uart0

虽然名字不一样，操作方式是一样的。

LubanCat-Q1有4个Uart串口，分别是UART1、UART3、UART6、UART7

其中串口的引脚关系如下表所示

LubanCat-Q1串口、引脚、功能对应表

串口	引脚	功能
UART6_RX	3	接收信号线
UART6_TX	5	发送信号线
UART1_TX	8	发送信号线
UART1_RX	10	接收信号线
UART3_RX	22	接收信号线
UART3_TX	26	发送信号线
UART7_RX	27	接收信号线
UART7_TX	28	发送信号线

对应实物的30pin接口

11.2. 使能串口接口

串口在默认情况是关闭状态的，需要使能才能使用。

11.2.1. 方法一

#进入工具配置
sudo fire-config

#移动光标到下图的位置
#按确认键进入配置

打开串口

1. 使用方向键移动光标到 UART

2. 按 “空格键” 选中UART(出现 “*” )，如下图

3. 按 “确认键” 进行设置

4. 按 “Esc键” 退出到终端，运行 sudo reboot 进行重启应用

11.2.2. 方法二

LubanCat各设备的配置文件

板子名称	配置文件名称	说明
当前使用的板卡	uEnv.txt	系统会自动把板卡的配置文件链接到该文件
LubanCat-RK	uEnvLubanCat-series.txt	通用板卡的配置文件，用于第一次启动配置系统
Lubancat-Zero-N	uEnvLubanCatZN.txt	适用于EBF410068 EBF410068V1
Lubancat-Zero-W	uEnvLubanCatZW.txt	适用于EBF410067 EBF410067V1
Lubancat-1	uEnvLubanCat1.txt	适用于EBF410077 EBF410077V1 EBF410077V2
Lubancat-1N	uEnvLubanCat1N.txt	适用于EBF410052 EBF410052V1
Lubancat-1金手指/BTB	uEnvLubanCat1IO.txt	适用于EBF410090 EBF410132
Lubancat-2	uEnvLubanCat2.txt	适用于EBF410044
Lubancat-2V1	uEnvLubanCat2-V1.txt	适用于EBF410044V1
Lubancat-2V2	uEnvLubanCat2-V2.txt	适用于EBF410044V2
Lubancat-2-n	uEnvLubanCat2N.txt	适用于EBF410076 EBF410076V1
Lubancat-2金手指/BTB	uEnvLubanCat2IO.txt	适用于EBF410298 EBF410297
Lubancat-4	uEnvLubanCat4.txt	适用于EBF410116
Lubancat-Q1	uEnvLubanCatQ1.txt	适用于EBF410434

可以通过打开 /boot/uEnv/board.txt （board是你所用的板子的名称），一般第一次启动已经初始化将板级uEnv.txt软连接到了/boot/uEnv/uEnv.txt，可以直接修改该文件。

查看是否启用了uart相关设备设备树插件。编辑文件，将带有 uart (以uart3为例) 的那一行的注释符号去掉 如下图:

然后重启激活设备

注解

如果是直接拔电源的方式重启，会有可能出现文件没能做出修改 （原因：文件未能及时从内存同步到存储设备中，解决方法，在终端上输入 “sync” 再拔电关机）

11.3. 检查串口设备

查看串口有没有成功使能

 #执行命令查看终端设备
ls /dev/tty*

• LubanCat-Zero系列使用的是ttyS8

• LubanCat-1和LubanCat-2系列使用的是ttyS3

• LubanCat-4使用的是ttyS0

LubanCat-Q1串口与设备对应关系如下表所示

LubanCat-Q1串口与设备对应关系表

串口	设备号
UART1	ttyS1
UART3	ttyS3
UART6	ttyS6
UART7	ttyS7

如下图(作者使用LubanCat-1):

11.4. 串口通讯实验（Shell）

本次实验以LubanCat-1板卡讲解，其他板子的操作和本实验类似，这里就不过多赘述了。 使用板卡上的串口3进行实验，对应的设备文件为/dev/ttyS3。 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，下面我们使用板卡配合Windows下的串口调试助手或Linux下的minicom进行测试。

11.4.1. 连接串口

实验前需要使用串口线或USB转串口线把它与板卡与电脑连接起来。

• 板子 - 电脑

• TXD — RXD

• RXD — TXD

• GND — GND

11.4.2. 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ttyS3设备文件，用stty工具查询其通信参数

#在板卡的终端执行如下命令
stty -F /dev/ttyS3

如下图:

11.4.3. 修改串口波特率

 #设置通讯速率，其中ispeed为输入速率，ospeed为输出速率
 stty -F /dev/ttyS3 ispeed 115200 ospeed 115200

如下图:

11.4.4. 关闭回显

默认串口是开启回显的 可以使用以下命令关闭回显

stty -F /dev/ttyS3 -echo

11.4.5. 与Windows主机通讯

11.4.5.1. 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：

#在板卡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"Hello!"、"I'm lubancat"
echo Hello! > /dev/ttyS3
echo "I'm lubancat" > /dev/ttyS3
#Windows上的串口调试助手会接收到内容

如下图:

可以看到，往/dev/ttyS3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主机发往板卡的内容，可以使用cat命令来读取：

#在板卡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/ttyS3
#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！
#板卡的终端会输出接收到的内容

如下图:

Hello lubancat!

11.4.5.2. minicom通讯

#安装minicom软件包
sudo apt install minicom

#设置串口
sudo minicom -s

如下图：

进入设置，修改串口或者波特率，按键盘上的字母进入各自要设置的东西，enter键确认

设置完成后，可以按这按键保存配置，保存后，以后打开不用设置

然后按exit键进入minicom的终端

如果你输入字母，屏幕上没反应，可以通过打开回显来显示， 先按“ctrl + A” 再按’z’键进入菜单

按下’e’,回显就打开成功了（左下角会有提示，打开或者关闭），可以按下按键测试一下，观察是否有回显， 我们还可以先按“ctrl + A” 再按’z’键，再按’c’键来清除屏幕， 将板卡和电脑用串口线连起来，同时设置为115200， 在板卡上，输入”Hello! i’m lubancat!’’

注意

使用minicom时，不能使用退格键把发出去的内容删掉， minicom是以单个字符的方式发送的。

我们可以在pc端发送文字

 minicom的菜单有很多功能，
 s ---- 发送文件
 p ---- 设置通讯参数，包括一些预设的波特率，数据格式，数据位等
 l ---- 就可以将log信息保存到一个文件中了,方便查看
 t ---- 设置终端参数，以及键位设置
 w ---- 超出一行的数据后自动换行
 r ---- 接收文件
 a ---- 换行发送时会增加时间戳
 n ---- 增加时间戳
 c ---- 清除屏幕
 o ---- 设置minicom，相当于sudo minicom -s
 j ---- 休眠状态
 x ---- 退出的同时复位
 q ---- 退出

 你也可以不用通过按 "ctrl + a" + 'z' + '?'的方式设置
 而是直接使用"ctrl + a"  + '?'

11.5. 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？

11.5.1. 实验

11.5.1.1. 代码

base_linux/uart/uart_t/uart_t.c

#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/ttyS3";

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];
    else
        path = (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);
    
    //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;
}

11.5.1.2. 编译

方法1:

#编译
make

方法2:

#编译
gcc uart_t.c -o uart_t

11.5.1.3. 运行

    #运行
sudo ./uart_t

• 运行程序

• 在串口助手上发送字符串

• 可以看到返回了两个 Hello LubanCat !!! 一个是回显，另一个是程序将内容发送到主机内

11.5.2. 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。

base_linux/uart/uart_t/uart_t.c

#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/ttyS3";

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];
    else
        path = (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);
    
    //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。

11.5.2.1. 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。

termios结构体（位于主机/usr/include/bits/termios.h文件）

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。

波特率定义（位于/usr/include/bits/termios.h）

//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。

11.5.2.1.1. 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。

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。

11.5.2.1.2. 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。

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。 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。

11.5.2.1.3. 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。

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。

11.5.2.1.4. 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。

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。

11.6. 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。

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。

11.6.1. 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。

11.6.2. 使用ioctl代替tcgetattr和tcsetattr

base_linux/uart/uart_i/uart_i.c

#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/ttyS3";

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];
   else
      path = (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

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。

11.6.3. 编译

方法1：

#编译
make

方法2：

#编译
gcc uart_i.c -o uart_i

11.6.4. 运行

     #查看当前的波特率
     stty -F /dev/ttyS3

     #运行程序
     sudo ./uart_i

     Ctrl + C 退出程序

     #查看当前波特率
     stty -F /dev/ttyS3

运行结果

cat@lubancat:~/23/lubancat-test/base_linux/uart$ sudo stty -F /dev/ttyS3
speed 9600 baud; line = 0;
-brkint -imaxbel
cat@lubancat:~/23/lubancat-test/base_linux/uart$ sudo ./uart_i
This is tty/usart demo.
Macro B9600 = 015
Macro B115200 = 010002
ioctl TCGETS,opt.c_ospeed = 015
ioctl TCGETS,opt.c_ispeed = 015
ioctl TCGETS,opt.c_cflag = 0xcbd
ioctl TCGETS after TCSETS
ioctl TCGETS,opt.c_ospeed = 010002
ioctl TCGETS,opt.c_ispeed = 010002
ioctl TCGETS,opt.c_cflag = 0x1cb2
^C

cat@lubancat:~/23/lubancat-test/base_linux/uart$ sudo stty -F /dev/ttyS3
speed 115200 baud; line = 0;
-brkint -imaxbel
cat@lubancat:~/23/lubancat-test/base_linux/uart$

11.7. 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。

tcsetattr.c文件的内容如下。

tcsetattr的glibc源码（glibc/sysdeps/unix/sysv/linux/tcsetattr.c文件）

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_ISPEED
   k_termios.c_ispeed = termios_p->c_ispeed;
   #endif
   #if _HAVE_C_OSPEED && _HAVE_STRUCT_TERMIOS_C_OSPEED
   k_termios.c_ospeed = termios_p->c_ospeed;
   #endif
   memcpy (&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。