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[導(dǎo)讀]摘要 闡述uClinux串口編程的基本方法;簡(jiǎn)要介紹操作系統(tǒng)的幾種I/O模型,特別對(duì)基于select的I/O復(fù)用模型在監(jiān)聽多個(gè)設(shè)備時(shí)的適用性進(jìn)行較詳細(xì)的分析;比較多個(gè)串口下使用輪詢方

摘要 闡述uClinux串口編程的基本方法;簡(jiǎn)要介紹操作系統(tǒng)的幾種I/O模型,特別對(duì)基于select的I/O復(fù)用模型在監(jiān)聽多個(gè)設(shè)備時(shí)的適用性進(jìn)行較詳細(xì)的分析;比較多個(gè)串口下使用輪詢方法和使用select機(jī)制處理的差別;結(jié)合GPSOne與GPS雙定位導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)例,給出雙串口定位信息接收的軟件實(shí)現(xiàn)方法。關(guān)鍵詞 GPSGPSOneselectI/O復(fù)用串口   GPS是當(dāng)前在導(dǎo)航系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的定位技術(shù)之一,但GPS也有其自身的不足。例如,當(dāng)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(shí),定位信號(hào)比較容易丟失,往往難以獲取有效的定位信息。由美國(guó)高通公司開發(fā)的GPSOne定位模塊,提供的定位信號(hào)是基于網(wǎng)絡(luò)與蜂窩的定位技術(shù)。即使在衛(wèi)星信號(hào)不好的情況下,只要存在聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)信號(hào),利用蜂窩定位技術(shù),就可以較容易地獲得定位信號(hào)。此信號(hào)可作為GPS信號(hào)丟失情況下的一種補(bǔ)償信號(hào)。   GPSOne是傳統(tǒng)GPS定位技術(shù)與CDMA網(wǎng)絡(luò)技術(shù)巧妙結(jié)合的混合型定位技術(shù),即GPSOne=AGPS+AFLT+CellID。它是第一種可以在室內(nèi)穩(wěn)定工作的基于GPS技術(shù)的解決方案,是唯一商用的GPS定位解決方案,同時(shí)也是目前世界上最經(jīng)濟(jì)有效的集成型無線GPS解決方案。利用 GPSOne能夠彌補(bǔ)GPS自身不足的這一特點(diǎn),本導(dǎo)航系統(tǒng)的定位信息獲取模塊采用GPS和GPSOne雙定位方案,以實(shí)現(xiàn)更精確、可靠的定位。該定位信息獲取模塊的硬件架構(gòu)是ARM+GPS+GPSOne;CPU采用Philips公司LP系列的LPC2210的ARM7芯片,操作系統(tǒng)采用 uClinux。本系統(tǒng)獲取定位信息的關(guān)鍵,在于編寫好串口通信程序,從而更好地實(shí)時(shí)接收和處理當(dāng)前的位置信息。由于系統(tǒng)功能較為復(fù)雜,需要實(shí)現(xiàn)GUI界面交互、定位、報(bào)警、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢、語音提示等多項(xiàng)功能,故對(duì)串口數(shù)據(jù)的接收,利用I/O復(fù)用機(jī)制進(jìn)行處理更利于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和管理。 1 uClinux串口編程操作方法   在Linux中,設(shè)備分為3類:字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。uClinux用設(shè)備文件表示大部分I/O設(shè)備。文件系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的接口來訪問一般意義上的文件和設(shè)備文件。   系統(tǒng)串口COM1與COM2,分別對(duì)應(yīng)uClinux系統(tǒng)的/dev/ttyS0、/dev/ttyS1兩個(gè)串口設(shè)備文件。串口屬于字符型設(shè)備,對(duì)串口的編程也就是對(duì)相應(yīng)文件進(jìn)行讀/寫、控制等操作。串口編程的基本步驟是:先打開串口,設(shè)置串口屬性,然后進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù),最后關(guān)閉串口。 (1) 打開串口  通過使用標(biāo)準(zhǔn)的文件打開函數(shù)open,達(dá)到訪問串口設(shè)備驅(qū)動(dòng)的目的。例如,以讀寫的方式打開串口1,可用下面的方法實(shí)現(xiàn):  fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR); (2) 設(shè)置串口屬性  主要是設(shè)定結(jié)構(gòu)體termios各成員的值?;驹O(shè)置包括:波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位、輸入和輸出模式等。一般在設(shè)置時(shí),先獲取系統(tǒng)已有的串口屬性,并在它的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。另外,設(shè)置時(shí)要用到系統(tǒng)預(yù)定義的宏。  (結(jié)合實(shí)例的說明略。——編者注) (3) 收發(fā)數(shù)據(jù)  uClinux下串口發(fā)送和接收數(shù)據(jù),通過使用文件操作中的read和write的方法來實(shí)現(xiàn)。例如:   write(fd, buffer ,Length);   read(fd, buffer ,Length); (4) 關(guān)閉串口  關(guān)閉串口只須關(guān)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(shí),會(huì)用到下面幾種模型之一:阻塞型I/O、非阻塞型I/O和復(fù)用型I/O。下面以讀取串口數(shù)據(jù)為例,簡(jiǎn)要說明它們的基本工作原理和特點(diǎn)。 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(gè)進(jìn)程以阻塞方式調(diào)用read函數(shù)讀取串口數(shù)據(jù),則該進(jìn)程會(huì)一直睡眠在read系統(tǒng)調(diào)用上。此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)核會(huì)一直等待數(shù)據(jù),直到串口有數(shù)據(jù)到達(dá)為止。當(dāng)串口數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后,內(nèi)核就把數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝至用戶空間;而當(dāng)數(shù)據(jù)拷貝完成后,才喚醒串口讀取進(jìn)程,通知它讀取數(shù)據(jù)報(bào)。

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(shí)完成的。當(dāng)進(jìn)程調(diào)用read函數(shù)時(shí),設(shè)置了O_NONBLOCK標(biāo)志,那么即使串口沒有數(shù)據(jù)可讀,read函數(shù)也會(huì)立即返回。此時(shí)其返回值為EAGAIN,表明串口數(shù)據(jù)未就緒。如果串口有數(shù)據(jù)可讀,則read函數(shù)會(huì)讀取該數(shù)據(jù),并返回所讀數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。通常輪詢I/O的方法就是采用這種模型來讀取串口數(shù)據(jù)的,此時(shí)進(jìn)程必須通過反復(fù)調(diào)用來檢測(cè)是否有數(shù)據(jù)可讀。如果輪詢頻率過低,則容易丟失數(shù)據(jù);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(fù)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(fù)雜、需要處理多個(gè)I/O的系統(tǒng)時(shí),這兩種模型存在著不足之處。例如:在應(yīng)用進(jìn)程中需要對(duì)多個(gè)I/O設(shè)備進(jìn)行監(jiān)聽,當(dāng)某個(gè)設(shè)備可讀或可寫時(shí),進(jìn)程能馬上得知,并進(jìn)行相關(guān)處理。這時(shí)若采用阻塞方式操作I/O,則進(jìn)程會(huì)阻塞在某個(gè)設(shè)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(shí)或循環(huán)地探測(cè)所有設(shè)備,才作相應(yīng)處理,這種作法相當(dāng)耗費(fèi)系統(tǒng)中央處理器的執(zhí)行周期??梢?,上述的兩個(gè)I/O模型都不能滿足這類應(yīng)用,故此需要引入一種特別的I/O處理機(jī)制,即I/O復(fù)用。   所謂I/O復(fù)用,是指當(dāng)一個(gè)或多個(gè)I/O條件(可讀、能寫或出現(xiàn)異常)滿足時(shí),進(jìn)程能立即知道,從而正確并高效地對(duì)它們進(jìn)行處理。   在uClinux下,系統(tǒng)提供select函數(shù)和poll函數(shù),用來支持I/O復(fù)用的實(shí)現(xiàn)。如圖3所示,若使用select的系統(tǒng)調(diào)用來查詢是否有數(shù)據(jù)可讀時(shí),進(jìn)程是在等待多個(gè)I/O描述接口的任一個(gè)變?yōu)榭勺x,但此期間并不阻塞進(jìn)程。當(dāng)有數(shù)據(jù)報(bào)已準(zhǔn)備好時(shí),返回可讀條件,并通知進(jìn)程再次進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用準(zhǔn)備讀取相應(yīng)的I/O數(shù)據(jù)。此時(shí)內(nèi)核就開始拷貝準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)至用戶空間,并返回指示進(jìn)程處理數(shù)據(jù)報(bào)。

圖3 I/O復(fù)用模型   與上面提及的兩種I/O模型不同的是:在這個(gè)處理過程中,使用了兩次系統(tǒng)調(diào)用來達(dá)到讀取數(shù)據(jù)的目的。雖然兩次系統(tǒng)調(diào)用的開銷似乎更大,但它的最大好處在于能同時(shí)等待多個(gè)描述符準(zhǔn)備好。因此select調(diào)用功能更多地是借助了內(nèi)核來監(jiān)聽I(yíng)/O設(shè)備描述符的。下面具體介紹select函數(shù)的功能及應(yīng)用。 3 uClinux中基于select的I/O復(fù)用機(jī)制和工作原理   在系統(tǒng)存在多個(gè)輸入或輸出流但不希望其中任一個(gè)流被阻塞的場(chǎng)合,經(jīng)常使用復(fù)用I/O的方法解決。uClinux中,用戶程序多使用select機(jī)制實(shí)現(xiàn)I/O復(fù)用控制,select函數(shù)允許進(jìn)程對(duì)一個(gè)或多個(gè)設(shè)備文件進(jìn)行非阻塞的讀或?qū)懖僮鳌?   select的函數(shù)定義于中,原型如下:   int select(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);   該函數(shù)允許進(jìn)程指示內(nèi)核等待多個(gè)事件中的任一個(gè)發(fā)生,并僅在一個(gè)或多個(gè)事件發(fā)生或經(jīng)過某指定的時(shí)間后才喚醒進(jìn)程。該函數(shù)的第1個(gè)參數(shù)n表示文件描述符集合中最大值再加1;第2個(gè)參數(shù)readfds,表示可讀的文件描述符集合,用于查看是否有可讀取數(shù)據(jù);第3個(gè)參數(shù)writefds表示可寫的文件描述符集合,用于查看是否能寫入數(shù)據(jù);第4個(gè)參數(shù)exceptfds用于異常控制;最后一個(gè)參數(shù)timeout決定了select將會(huì)阻塞多久才把控制權(quán)移交給調(diào)用它的進(jìn)程。調(diào)用select之前,必須對(duì)此參數(shù)進(jìn)行初始化。若timeout值為0,則select直接返回0。此時(shí)I/O操作沒有等待就立即返回,相當(dāng)于一種非阻塞I/O的調(diào)用。   在應(yīng)用中,通常先調(diào)用select查看哪個(gè)I/O設(shè)備可讀/寫。如果沒有可讀/寫的設(shè)備,并且沒有設(shè)置超時(shí)返回功能,那么進(jìn)程將阻塞在select調(diào)用上;如果有,則select函數(shù)返回,緊接著可通過測(cè)試參數(shù)readfds和writefds來確定哪個(gè)I/O設(shè)備可讀或能寫,而后以非阻塞方式操作該 I/O設(shè)備,從而實(shí)現(xiàn)期望功能。   在實(shí)現(xiàn)select應(yīng)用的過程中,還會(huì)使用到這些select相關(guān)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(shè)備文件描述符集合,fd表示設(shè)備文件描述符。FD_ZERO函數(shù)用于清除設(shè)備文件描述符集合所有元素;FD_SET函數(shù)用于把某個(gè)文件描述符添加至文件描述符集合;FD_CLR函數(shù)用于從文件描述符集合中刪除某個(gè)文件描述符;而FD_ISSET用于檢測(cè)設(shè)備文件描述符集合的某個(gè)文件描述符是否有效,有效則表示該位對(duì)應(yīng)的設(shè)備有數(shù)據(jù)可讀或可寫。 4 輪詢檢測(cè)方法與select方法的比較 4.1 輪詢檢測(cè)方法   輪詢檢測(cè)方法是指對(duì)串口進(jìn)行非阻塞的讀寫操作。當(dāng)操作未成功時(shí),讓進(jìn)程或線程掛起一段時(shí)間,然后再使用非阻塞調(diào)用來重新查詢串口是否有可讀/寫數(shù)據(jù)。用此方法,相當(dāng)于系統(tǒng)不斷地對(duì)接收或者發(fā)送操作的執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行探測(cè),直到把數(shù)據(jù)發(fā)出去或者接收完成定量的數(shù)據(jù),才退出此輪詢循環(huán)。而對(duì)于接收與發(fā)送不確定哪個(gè)時(shí)刻會(huì)到達(dá)的情況,即隨機(jī)性比較高的讀/寫操作,采用輪詢方法會(huì)造成CPU資源浪費(fèi)。如果輪詢頻率過低,則會(huì)使系統(tǒng)少接收一部分?jǐn)?shù)據(jù)或接收過慢;反之,則接收方會(huì)因?yàn)榈却枚荒芙邮崭嘈碌臄?shù)據(jù)。輪詢頻率過高的情況,會(huì)讓CPU過度頻繁地查詢串口狀態(tài),造成過多的耗用CPU執(zhí)行周期,降低其利用率。 4.2 select機(jī)制能充分利用系統(tǒng)時(shí)間的原因   與頻繁調(diào)用非阻塞讀寫函數(shù)來輪詢監(jiān)聽I(yíng)/O的方法相比, select調(diào)用允許用戶把進(jìn)程本身掛起來,同時(shí)使系統(tǒng)內(nèi)核監(jiān)聽所要求的一組文件描述符的任何活動(dòng)。只要確認(rèn)在任何被監(jiān)控的文件描述符上出現(xiàn)活動(dòng),select調(diào)用將返回指示該設(shè)備文件已經(jīng)準(zhǔn)備好的信息。這樣就使進(jìn)程能相對(duì)實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)到I/O設(shè)備上隨機(jī)的變化,而不必由進(jìn)程本身去探測(cè)輸入數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好。 5 利用select I/O的機(jī)制實(shí)現(xiàn)GPS與GPSOne數(shù)據(jù)的接收   本文提出的基于GPS與GPSOne信號(hào)的雙定位的解決方案,即對(duì)系統(tǒng)兩個(gè)串口定位信號(hào)的監(jiān)聽與處理,充分利用uClinux下基于Select的 I/O復(fù)用機(jī)制,更利于較復(fù)雜系統(tǒng)的控制和管理。   方案實(shí)現(xiàn)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(jī)制接收GPS信息和GPSOne信息的軟件實(shí)現(xiàn):   int Maxfd = fd_gps>fd_gpsOne? fd_gps: fd_gpsOne;//得到串口描述符中較大的一個(gè)  struct timeval tv;//定義超時(shí)控制結(jié)構(gòu)  fd_set fds; //文件描述符集合變量  tv.tv_sec = 5;//設(shè)定超時(shí)值 5 s   tv.tv_usec = 0;   while(1){//通過GPSOne串口,發(fā)送GPSOne定位請(qǐng)求    Rt = send_port (fd_gpsone, "AT+GPSSTRTr", strlen("AT+GPSSTRTr");     if (Rt) == -1)       printf("Error happened!");     FD_ZERO (%26;amp;fds);//初始化文件描述符集合    FD_SET(*fd_gps, %26;amp;fds);//設(shè)置文件描述符集合的相應(yīng)位    FD_SET(fd_gpsOne, %26;amp;fds);//使用select,讓內(nèi)核開始監(jiān)聽GPSOne和GPS串口設(shè)備    fd_sel = select((Maxfd)+1, %26;amp;fds_gps, NULL, NULL, %26;amp;tv);     if (fd_sel < 0){       printf("Error happened while receiving gps data.n");}     else if (FD_ISSET(*fd_gps, %26;amp;fds)){//若GPS串口設(shè)備有數(shù)據(jù)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(shù)組中g(shù)ps_info_process(gps_info);//解析定位信息處理      }     }     else if (FD_ISSET(*fd_gpsOne, %26;amp;fds)){//若GPSOne串口設(shè)備有數(shù)據(jù)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(shù)組中      gpsOne_info_process(gpsOne_info);//解析定位信息處理      }     }     sleep(1);   } 6 設(shè)計(jì)總結(jié)   本文詳細(xì)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(fù)用機(jī)制處理多個(gè)串口信息的方案,同時(shí)給出這種方案的具體實(shí)現(xiàn)。此方案具有較高的可靠性,保證了多個(gè)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(tǒng)更好地管理多個(gè)文件設(shè)備。特別是在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域中,select利用內(nèi)核同時(shí)監(jiān)聽多個(gè)設(shè)備描述符機(jī)制,可以被廣泛地應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)多路I/O采集的設(shè)計(jì)中。 參考文獻(xiàn) [1] Kurt Wall. GNU/Linux編程指南[M].張輝,譯. 北京:清華大學(xué)出版社,2005. [2] Richard Stevens W. UNIX網(wǎng)絡(luò)編程[M]. 第2版. 第1卷%26;#183;套接口API和X/Open傳輸接口API.北京:清華大學(xué)出版社,1998:121131. [3] 馬忠梅,李善平,康慨,等. ARM%26;amp;Linux嵌入式系統(tǒng)教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005:255261. [4] 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教程(2).廣州:廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司,2005:213219. [5] 鄧滔,徐勇. GPS與嵌入式Linux平臺(tái)串行通信研究[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2005,18(1).

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