基于uClinux的GPSOne/GPS雙定位信息接收系統(tǒng)
闡述uClinux串口編程的基本方法;簡要介紹操作系統(tǒng)的幾種I/O模型,特別對基于select的I/O復(fù)用模型在監(jiān)聽多個設(shè)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sekct機制處理的差別;結(jié)合GPSOne與GPS雙定位導(dǎo)航系統(tǒng)的實例,給出雙串口定位信息接收的軟件實現(xiàn)方法。
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,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(fā)的GPSOne定位模塊,提供的定位信號是基于網(wǎng)絡(luò)與蜂窩的定位技術(shù)。即使在衛(wèi)星信號不好的情況下,只要存在聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)信號,利用蜂窩定位技術(shù),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(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=A-GPS+AFLT+Cell-ID。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,同時也是目前世界上最經(jīng)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(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,從而更好地實時接收和處理當(dāng)前的位置信息。由于系統(tǒng)功能較為復(fù)雜,需要實現(xiàn)GUI界面交互、定位、報警、數(shù)據(jù)庫查詢、語音提示等多項功能,故對串口數(shù)據(jù)的接收,利用I/O復(fù)用機制進行處理更利于系統(tǒng)實現(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COMl與COM2,分別對應(yīng)uClinux系統(tǒng)的/dev/ttyS0√dev/ttySl兩個串口設(shè)備文件。串口屬于字符型設(shè)備,對串口的編程也就是對相應(yīng)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(shè)置串口屬性,然后進行收發(fā)數(shù)據(jù),最后關(guān)閉串口。
(1)打開串口
通過使用標準的文件打開函數(shù)open,達到訪問串口設(shè)備驅(qū)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(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、校驗位、停止位、輸入和輸出模式等。一般在設(shè)置時,先獲取系統(tǒng)已有的串口屬性,并在它的基礎(chǔ)上進行修改。另外,設(shè)置時要用到系統(tǒng)預(yù)定義的宏。
(3)收發(fā)數(shù)據(jù)
uClinux下串幾發(fā)送和接收數(shù)據(jù),通過使用文件操作中的reaci和write的方法來實現(xiàn)。例如:
write(fd,buffer,Length);
read(fd,buffer,Lerxgth);
(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,會用到下而幾種模型之一: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(diào)用tead函數(shù)讀取串口數(shù)據(jù),則該進程會一直睡眠在read系統(tǒng)調(diào)用上。此時系統(tǒng)內(nèi)核會一直等待數(shù)據(jù),直到串口有數(shù)據(jù)到達為止。當(dāng)串口數(shù)據(jù)準備好后,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,才喚醒串口讀取進程,通知它讀取數(shù)據(jù)報。
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(dāng)進程調(diào)用read函數(shù)時,設(shè)置了0_NONBLOCK標志,那么即使串口沒有數(shù)據(jù)可讀,read函數(shù)也會立即返回。此時其返同值為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)會讀取該數(shù)據(jù),并返回所讀數(shù)據(jù)的長度。通常輪詢I/O的方法就足采用這種模型來讀取串口數(shù)據(jù)的,此時進程必須通過反復(fù)調(diào)用來檢測是否有數(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。
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I/O的系統(tǒng)時,這兩種模型存在著不足之處。例如:在應(yīng)用進程中需要對多個I/O設(shè)備進行監(jiān)聽,當(dāng)某個設(shè)備町讀或可寫時,進程能馬上得知,并進行相關(guān)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(shè)備的T/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(huán)地探測所有設(shè)備,才作相應(yīng)處理,這種作法相當(dāng)耗費系統(tǒng)中央處理器的執(zhí)行周期。可見,上述的兩個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處理機制,即I/O復(fù)用。
所謂I/O復(fù)用,是指當(dāng)一個或多個I/O條件(可讀、能寫或出現(xiàn)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(tǒng)提供select函數(shù)和poll函數(shù),用來支持I/O復(fù)用的實現(xiàn)。如圖3所示.若使用sclcct的系統(tǒng)調(diào)用來查詢是否有數(shù)據(jù)可讀時,進程是在等待多個I/O描述接口的任一個變?yōu)榭勺x,但此期間并不阻塞進程。當(dāng)有數(shù)據(jù)報已準備好時,返回可讀條件,并通知進程再次進行系統(tǒng)調(diào)用準備讀取相應(yīng)的I/O數(shù)據(jù)。此時內(nèi)核就開始拷貝準備好的數(shù)據(jù)至用戶空間,并返回指示進程處理數(shù)據(jù)報。
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(tǒng)調(diào)用來達到讀取數(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等待多個描述符準備好。因此select調(diào)用功能更多地是借助了內(nèi)核來監(jiān)聽I/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)用機制和工作原理
在系統(tǒng)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(jīng)常使用復(fù)用I/O的方法解決。uClinux中,用戶程序多使用select機制實現(xiàn)I/O復(fù)用控制,select函數(shù)允許進程對一個或多個設(shè)備文件進行非阻塞的讀或?qū)懖僮鳌?br /> select的函數(shù)定義于<unistd.h>中,原型如下:
int select(int n,fd_set*reaclfds,fd_set*writefds,fd_set*exceptfds,struct timeval*timeout);
該函數(shù)允許進程指示內(nèi)核等待多個事件中的任一個發(fā)生,并僅在一個或多個事件發(fā)生或經(jīng)過某指定的時間后才喚醒進程。該函數(shù)的第1個參數(shù)n表示文件描述符集合中最大值再加1;第2個參數(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個參數(shù)exceptfds用于異??刂疲蛔詈笠粋€參數(shù)timeout決定了select將會阻塞多久才把控制權(quán)移交給調(diào)用它的進程。調(diào)用select之前,必須對此參數(shù)進行初始化。若timeout值為O,則select直接返回O。此時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)置超時返回功能,那么進程將阻塞在sekct調(diào)用上;如果有,則select函數(shù)返回,緊接著可通過測試參數(shù)readfds和writef如來確定哪個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,從而實現(xiàn)期望功能。
在實現(xiàn)selcct應(yīng)用的過程中,還會使用到這些select相關(guān)接口:
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_ZERC)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文件描述符;而FD_ISSET用于檢測設(shè)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(yīng)的設(shè)備有數(shù)據(jù)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(dāng)操作末成功時,讓進程或線程掛起一段時間,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)不斷地對接收或者發(fā)送操作的執(zhí)行結(jié)果進行探測,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)。而對于接收與發(fā)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(tǒng)少接收一部分數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。輪詢頻率過高的情況,會讓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機制能充分利用系統(tǒng)時間的原因
與頻繁調(diào)用菲阻塞讀寫函數(shù)來輪詢監(jiān)聽I/O的方法相比,select調(diào)用允許用戶把進程本身掛起來,同時使系統(tǒng)內(nèi)核監(jiān)聽所要求的一組文件描述符的任何活動。只要確認在任何被監(jiān)控的文件描述符上出現(xiàn)活動,select調(diào)用將返回指示該設(shè)備文件已經(jīng)準備好的信息。這樣就使進程能相對實時地監(jiān)測到I/O設(shè)備上隨機的變化,而不必由進程本身去探測輸入數(shù)據(jù)是否準備好。
5 利用selectI/O的機制實現(xiàn)GPS與GPSOne數(shù)據(jù)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(tǒng)兩個串口定位信號的監(jiān)聽與處理,充分利用uClinux下基于Select的I/O復(fù)用機制,更利于較復(fù)雜系統(tǒng)的控制和管理。
方案實現(xiàn)的程序流程如圖4所示。
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(xiàn):
6 設(shè)計總結(jié)
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(fù)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(xiàn)。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(tǒng)更好地管理多個文件設(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)核同時監(jiān)聽多個設(shè)備描述符機制,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)計中。