摘要：闡述uClinux串口編程的基本方法；簡要介紹操作系統的幾種I/O模型，特別對基于select的I/O復用模型在監聽多個設備時的適用性進行較詳細的分析；比較多個串口下使用輪詢方法和使用select機制處理的差別；結合GPSOne與GPS雙定位導航系統的實例，給出雙串口定位信息接收的軟件實現方法。
GPS是當前在導航系統中應用最廣泛的定位技術之一,但GPS也有其自身的不足。例如，當GPS終端在建筑密集的地方或在高架橋底下等惡劣的地理位置時，定位信號比較容易丟失，往往難以獲取有效的定位信息。由美國高通公司開發的GPSOne定位模塊，提供的定位信號是基于網絡與蜂窩的定位技術。即使在衛星信號不好的情況下，只要存在聯通的網絡信號，利用蜂窩定位技術，就可以較容易地獲得定位信號。此信號可作為GPS信號丟失情況下的一種補償信號。
GPSOne是傳統GPS定位技術與CDMA網絡技術巧妙結合的混合型定位技術，即GPSOne=AGPS+AFLT+CellID。它是第一種可以在室內穩定工作的基于GPS技術的解決方案，是唯一商用的GPS定位解決方案，同時也是目前世界上最經濟有效的集成型無線GPS解決方案。利用GPSOne能夠彌補GPS自身不足的這一特點，本導航系統的定位信息獲取模塊采用GPS和GPSOne雙定位方案，以實現更精確、可靠的定位。該定位信息獲取模塊的硬件架構是ARM+GPS+GPSOne；CPU采用Philips公司LP系列的LPC2210的ARM7芯片，操作系統采用uClinux。本系統獲取定位信息的關鍵，在于編寫好串口通信程序，從而更好地實時接收和處理當前的位置信息。由于系統功能較為復雜，需要實現GUI界面交互、定位、報警、數據庫查詢、語音提示等多項功能，故對串口數據的接收，利用I/O復用機制進行處理更利于系統實現和管理。
1 uClinux串口編程操作方法
在Linux中，設備分為3類：字符設備、塊設備和網絡設備。uClinux用設備文件表示大部分I/O設備。文件系統提供了統一的接口來訪問一般意義上的文件和設備文件。
系統串口COM1與COM2，分別對應uClinux系統的/dev/ttyS0、/dev/ttyS1兩個串口設備文件。串口屬于字符型設備，對串口的編程也就是對相應文件進行讀/寫、控制等操作。串口編程的基本步驟是：先打開串口，設置串口屬性，然后進行收發數據，最后關閉串口。
（1） 打開串口
通過使用標準的文件打開函數open，達到訪問串口設備驅動的目的。例如，以讀寫的方式打開串口1，可用下面的方法實現：
fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR);
（2） 設置串口屬性
主要是設定結構體termios各成員的值。基本設置包括：波特率、數據位、校驗位、停止位、輸入和輸出模式等。一般在設置時，先獲取系統已有的串口屬性，并在它的基礎上進行修改。另外，設置時要用到系統預定義的宏。
（結合實例的說明略。——編者注）
(3) 收發數據
uClinux下串口發送和接收數據，通過使用文件操作中的read和write的方法來實現。例如：
write(fd, buffer ,Length);
read(fd, buffer ,Length);
（4） 關閉串口
關閉串口只須關閉已打開的串口文件描述符，如close(fd) ;
2 常用的幾種I/O模型
通常在操作I/O時，會用到下面幾種模型之一：阻塞型I/O、非阻塞型I/O和復用型I/O。下面以讀取串口數據為例，簡要說明它們的基本工作原理和特點。
2.1 阻塞型I/O
顧名思義，它以阻塞方式操作I/O，如圖1所示。若一個進程以阻塞方式調用read函數讀取串口數據，則該進程會一直睡眠在read系統調用上。此時系統內核會一直等待數據，直到串口有數據到達為止。當串口數據準備好后，內核就把數據從內核拷貝至用戶空間；而當數據拷貝完成后，才喚醒串口讀取進程，通知它讀取數據報。
圖1 阻塞I/O模型
2.2 非阻塞I/O
圖2中，在非阻塞I/O模型下，I/O操作是即時完成的。當進程調用read函數時，設置了O_NONBLOCK標志，那么即使串口沒有數據可讀，read函數也會立即返回。此時其返回值為EAGAIN，表明串口數據未就緒。如果串口有數據可讀，則read函數會讀取該數據，并返回所讀數據的長度。通常輪詢I/O的方法就是采用這種模型來讀取串口數據的，此時進程必須通過反復調用來檢測是否有數據可讀。如果輪詢頻率過低，則容易丟失數據；輪詢頻率過高，則占用太多處理器的處理周期。
圖2 非阻塞I/O模型
2.3 I/O復用
上述兩種I/O模型，是最常用的兩種操作I/O的方式；但在面向較復雜、需要處理多個I/O的系統時，這兩種模型存在著不足之處。例如：在應用進程中需要對多個I/O設備進行監聽，當某個設備可讀或可寫時，進程能馬上得知，并進行相關處理。這時若采用阻塞方式操作I/O，則進程會阻塞在某個設備的I/O讀寫操作上而不能適用于這種情況；若采用非阻塞方式，則往往需要定時或循環地探測所有設備，才作相應處理，這種作法相當耗費系統中央處理器的執行周期。可見，上述的兩個I/O模型都不能滿足這類應用，故此需要引入一種特別的I/O處理機制，即I/O復用。
所謂I/O復用，是指當一個或多個I/O條件（可讀、能寫或出現異常）滿足時，進程能立即知道，從而正確并高效地對它們進行處理。
在uClinux下，系統提供select函數和poll函數，用來支持I/O復用的實現。如圖3所示，若使用select的系統調用來查詢是否有數據可讀時，進程是在等待多個I/O描述接口的任一個變為可讀，但此期間并不阻塞進程。當有數據報已準備好時，返回可讀條件，并通知進程再次進行系統調用準備讀取相應的I/O數據。此時內核就開始拷貝準備好的數據至用戶空間，并返回指示進程處理數據報。
圖3 I/O復用模型
與上面提及的兩種I/O模型不同的是：在這個處理過程中，使用了兩次系統調用來達到讀取數據的目的。雖然兩次系統調用的開銷似乎更大，但它的最大好處在于能同時等待多個描述符準備好。因此select調用功能更多地是借助了內核來監聽I/O設備描述符的。
下面具體介紹select函數的功能及應用。
3 uClinux中基于select的I/O復用機制和工作原理
在系統存在多個輸入或輸出流但不希望其中任一個流被阻塞的場合，經常使用復用I/O的方法解決。uClinux中，用戶程序多使用select機制實現I/O復用控制，select函數允許進程對一個或多個設備文件進行非阻塞的讀或寫操作。
select的函數定義于<unistd.h>中，原型如下：
int select(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
該函數允許進程指示內核等待多個事件中的任一個發生，并僅在一個或多個事件發生或經過某指定的時間后才喚醒進程。該函數的第1個參數n表示文件描述符集合中最大值再加1；第2個參數readfds，表示可讀的文件描述符集合，用于查看是否有可讀取數據；第3個參數writefds表示可寫的文件描述符集合，用于查看是否能寫入數據；第4個參數exceptfds用于異常控制；最后一個參數timeout決定了select將會阻塞多久才把控制權移交給調用它的進程。調用select之前，必須對此參數進行初始化。若timeout值為0，則select直接返回0。此時I/O操作沒有等待就立即返回，相當于一種非阻塞I/O的調用。
在應用中，通常先調用select查看哪個I/O設備可讀/寫。如果沒有可讀/寫的設備，并且沒有設置超時返回功能，那么進程將阻塞在select調用上；如果有，則select函數返回，緊接著可通過測試參數readfds和writefds來確定哪個I/O設備可讀或能寫，而后以非阻塞方式操作該I/O設備，從而實現期望功能。
在實現select應用的過程中，還會使用到這些select相關接口：
void FD_ZERO(fd_set *fdset);
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);
int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);
其中，fd_set表示設備文件描述符集合，fd表示設備文件描述符。FD_ZERO函數用于清除設備文件描述符集合所有元素；FD_SET函數用于把某個文件描述符添加至文件描述符集合；FD_CLR函數用于從文件描述符集合中刪除某個文件描述符；而FD_ISSET用于檢測設備文件描述符集合的某個文件描述符是否有效，有效則表示該位對應的設備有數據可讀或可寫。
4 輪詢檢測方法與select方法的比較
4.1 輪詢檢測方法
輪詢檢測方法是指對串口進行非阻塞的讀寫操作。當操作未成功時，讓進程或線程掛起一段時間，然后再使用非阻塞調用來重新查詢串口是否有可讀/寫數據。用此方法，相當于系統不斷地對接收或者發送操作的執行結果進行探測，直到把數據發出去或者接收完成定量的數據，才退出此輪詢循環。而對于接收與發送不確定哪個時刻會到達的情況，即隨機性比較高的讀/寫操作，采用輪詢方法會造成CPU資源浪費。如果輪詢頻率過低，則會使系統少接收一部分數據或接收過慢；反之，則接收方會因為等待太久而不能接收更多新的數據。輪詢頻率過高的情況，會讓CPU過度頻繁地查詢串口狀態，造成過多的耗用CPU執行周期，降低其利用率。
4.2 select機制能充分利用系統時間的原因
與頻繁調用非阻塞讀寫函數來輪詢監聽I/O的方法相比， select調用允許用戶把進程本身掛起來，同時使系統內核監聽所要求的一組文件描述符的任何活動。只要確認在任何被監控的文件描述符上出現活動，select調用將返回指示該設備文件已經準備好的信息。這樣就使進程能相對實時地監測到I/O設備上隨機的變化，而不必由進程本身去探測輸入數據是否準備好。
5 利用select I/O的機制實現GPS與GPSOne數據的接收
本文提出的基于GPS與GPSOne信號的雙定位的解決方案，即對系統兩個串口定位信號的監聽與處理，充分利用uClinux下基于Select的I/O復用機制，更利于較復雜系統的控制和管理。
方案實現的程序流程如圖4所示。
圖4 雙定位信息獲取的程序流程
以下代碼為使用Select I/O機制接收GPS信息和GPSOne信息的軟件實現：
int Maxfd = fd_gps>fd_gpsOne? fd_gps: fd_gpsOne;
//得到串口描述符中較大的一個
struct timeval tv;//定義超時控制結構
fd_set fds; //文件描述符集合變量
tv.tv_sec = 5;//設定超時值 5 s
tv.tv_usec = 0;
while(1){
//通過GPSOne串口，發送GPSOne定位請求
Rt = send_port (fd_gpsone, "AT+GPSSTRT\\r", strlen("AT+GPSSTRT\\r");
if (Rt) == -1)
printf("Error happened!");
FD_ZERO (&fds);//初始化文件描述符集合
FD_SET(*fd_gps, &fds);
//設置文件描述符集合的相應位
FD_SET(fd_gpsOne, &fds);
//使用select，讓內核開始監聽GPSOne和GPS串口設備
fd_sel = select((Maxfd)+1, &fds_gps, NULL, NULL, &tv);
if (fd_sel < 0){
printf("Error happened while receiving gps data.\\n");
}
else if (FD_ISSET(*fd_gps, &fds)){
//若GPS串口設備有數據可讀
recv_len = recv_port(fd_gps, buf, 254);
if (recv_len > 0){
memcpy (gps_info, buf, recv_len);
//信息保存到gps_info數組中
gps_info_process(gps_info);//解析定位信息處理
}
}
else if (FD_ISSET(*fd_gpsOne, &fds)){
//若GPSOne串口設備有數據可讀
recv_len = recv_port(*fd_gpsOne, buf, 254);
if (recv_len > 0){
memcpy (gpsOne_info, buf, recv_len);
//信息保存到gpsOne_info數組中
gpsOne_info_process(gpsOne_info);
//解析定位信息處理
}
}
sleep(1);
}
6 設計總結
本文詳細說明了串口編程的基本方法和步驟，并提出一種基于select的I/O復用機制處理多個串口信息的方案，同時給出這種方案的具體實現。此方案具有較高的可靠性，保證了多個串口的信息可以很好地被接收和處理，而且不相互干擾，利于系統更好地管理多個文件設備。特別是在數據采集和數據傳輸領域中，select利用內核同時監聽多個設備描述符機制，可以被廣泛地應用于嵌入式系統多路I/O采集的設計中。
參考文獻
[1] Kurt Wall. GNU/Linux編程指南[M].張輝，譯. 北京：清華大學出版社,2005.
[2] Richard Stevens W. UNIX網絡編程[M]. 第2版. 第1卷·套接口API和X/Open傳輸接口API.北京：清華大學出版社,1998：121131.
[3] 馬忠梅,李善平,康慨,等. ARM&Linux嵌入式系統教程[M].北京：北京航空航天大學出版社,2005:255261.
[4] 周立功.ARM嵌入式系統實驗教程(2).廣州：廣州周立功單片機發展有限公司,2005:213219.
[5] 鄧滔，徐勇. GPS與嵌入式Linux平臺串行通信研究[J]. 工業控制計算機,2005,18(1).
