POSIX 串口编程指南

介绍

POSIX 串口编程指南将教会你在你的 UNIX 工作站或者 PC 上面如何成功、有效以及可移植性的对串口编程。每一章提供了使用 POSIX 终端控制函数的编程例程，可以基本不经修改地工作在 IRIX®, HP-UX, SunOS®, Solaris®, Digital UNIX®, Linux® 以及其他大多数 UNIX 操作系统。你会发现操作系统之间的最大差异是串口设备文件名和锁文件。

原文链接：Serial Programming Guide for POSIX Operating Systems

本指南分为以下章节和附录：

• 第一章 串口通信基础
• 第二章 串口配置
• 第三章 MODEM 通信
• 第四章 高级串口编程
• 附录A 引脚分布
• 附录B ASCII 码

第一章 串口通信基础

本章介绍了串口通信，RS-232 和 大多数计算机上使用的其他标准，以及如何通过 C 程序操作串口。

什么是串口通信

计算机一次传输信息（数据）一位或多个比特位。串行是指传输数据一次只传输一位。当进行串口通信时你发送或者接收的每个字（即字节或字符）一次发送一位。每一位都是 on 或者 off。术语用mark代表 on，用 space代表 off。

串口数据速率使用 bits-per-second ("bps") 或者 baudot rate ("baud")。这表示一秒内可以传输多少逻辑 1 和 0。当波特率超过 1000，你会经常看到用 kilo baud 表示的速率。对于超过 1000000 的速率用 megabaud，或者 Mbps 来表示。

当涉及到串口设备或者端口，它们被标识为“数据通讯设备”（"DCE"）或者“数据终端设备”（"DTE"）。两者之间的区别很简单 - 每个信号对，如发送和接收，是交叉的。

什么是 RS-232

RS-232 是由 EIA 定义的用于串口通信的标准电气接口。RS-232 实际上有三种不同的类型（A，B和C），每一种对于 on 和 off 电平定义了不同的电压范围。最常用的种类是 RS-232C，它定义mark位电压范围：-3V~-12V 和space位电压范围：+3V~+12V。RS-232C 规范上说，这些信号可以传输 25英尺（8m），通常你可以传输更远一些只要波特率足够低。

除了数据输入和输出数据线，还有其他提供时序、状态与握手的信号线。这里我们仅列举最为常见的 DB-9 接口分布图，引脚和功能描述如下所示：

• 1 - DCD - 数据载波检测
• 2 - RXD - 接收数据
• 3 - TXD - 发送数据
• 4 - DTR - 数据终端就绪
• 5 - GND - 地
• 6 - DSR - 数据装置就绪
• 7 - RTS - 请求发送
• 8 - CTS - 清除发送
• 9 - RI - 振铃指示

你还可能遇到 RS-422 以及 RS-485 串口标准。RS-422 使用更低电压与差分信号允许线缆长达 1000英尺（300m）。在实际应用中，使用 TTL 电平逐渐成为趋势，在 MCU  与串口转接芯片提供的串口中比较常见，此时mark 电平：+5V或+3.3V等，space位：0V（逻辑地）。

信号定义

RS-232 标准针对串口通信定义了18种不同的信号。其中，在 UNIX 环境下通常只有 6 种可用。

GND - 逻辑地

从技术上讲，逻辑接地不是信号，但没有它，其他信号就不能工作。从根本上说，逻辑地充当一个参考电压，从而知道哪些电压为正或负。

TXD - 发送数据

mark 电平为逻辑 1，space 电平为逻辑 0。注意 RS232 电平与 TTL 电平反相。

RXD - 接收数据

同样的，mark 电平为逻辑 1，space 电平为逻辑 0。注意 RS232 电平与 TTL 电平反相。

DCD - 数据载波检测

DCD 信号接收自串口线缆的另一端的计算机或设备。信号线低电平表示计算机或设备当前已连接或在线。DCD 不经常使用。

DTR - 数据终端就绪

DTR 信号用于通知对端计算机或设备己方已就绪（space 电平）或未就绪（mark 电平）。DTR 通常在打开串口时自动使能。

CTS - 清除发送

CTS 信号接收自串口线缆的另一端。信号线 space 电平表示可以己方可以发送数据。CTS 通常用于串口数据流控。

RTS - 请求发送

RTS 设置为 space 电平表示己方准备好就接收数据。一般与 CTS 一起用于串口流控，通常被设置为默认有效状态。

异步通信

解析串口数据需要确定一个字符的结束与下一个字符的开始。本章专门讲述异步串口数据。

在异步模式下串口数据线保持在 mark 状态（逻辑 '1'）直到有字符发送，也即串口的空闲态是 mark 态。每个字节起始位在前，字节的每一位紧随其后，一位可选校验位以及一位或者两位停止位。起始位始终是 space 电平（逻辑'0'），通知对方有新串口数据可用。数据可以同时发送和接收，因此称为“异步”。

可选校验位是数据位的简单累加和，指示数据是否包含奇数或者偶数个 1。偶校验时，如果一个字符中有偶数个 1 那么校验位是 0。奇校验时，如果一个字符中有奇数个 1 那么校验位是 0。除此之外，你还可能听过术语 space 校验，mark 校验以及无校验。Space 校验指示校验位永远是 0，而 mark 校验是指校验位一直为 1。无校验意味着没有校验位存在或被传输。

剩下的位称作停止位。在字符之间可能会有 1，1.5 或者 2 位停止位并且这些位总为 1。停止位过去用于腾出时间为硬件处理之前的数据，但现在只用于接收字符与硬件设备的同步。异步数据格式通常表达成“8N1”，“7E1”等。

什么是全双工和半双工

全双工是指设备可以同时发送和接收数据 - 有两个独立数据通道（一路输入，一路输出）。

半双工是指设备不能同时发送和接收数据。这通常意味着只有一路可以通讯。这并不代表有任何的 RS-232 信号未被使用，相反，这通常意味着使用的一些非 RS-232 标准的通讯链路不支持全双工操作。

流控

在两个串口设备间传输数据时经常有必要进行数据流控。这可能是受到中间串口通信线路、其中一个设备或者其他存储介质的限制。异步数据流控通常使用的有两种方法。

第一种方法通常称为“软件”流控，使用特殊字符开始（XON or DC1）或者停止（XOFF or DC3）数据流。这些字符定义参见 ASCII 码表。这些码值在传输文本信息时很有用，但不能在未经特殊编程时用于传输其他类型的信息。

第二种方法称作“硬件”流控，使用 CTS 和 RTS 信号线取代特殊字符。当接收方准备好接收数据时会将 RTS 置为 space 电压以请求对方发送数据，当未准备好时置为 mark 电压，因此发送方会通过检测 CTS 电平状态判断是否可以发送数据。由于硬件流控使用独立的信号集合，因此比软件流控速度要快。

Break信号

通常情况下收发数据信号线保持在 mark 电平状态直到传输一个新字节。如果信号拉低至 space 电压一段时间，通常是 1/4 到 1/2 秒，那么就说一个 break 条件满足。一个 break 信号有时用于复位通讯或者改变通讯硬件的操作模式，如 MODEM。

同步通信

不同于异步数据，同步数据以恒定比特流显示。为了读取数据，通讯方必须提供或接收一通用位作为时钟使发送和接收者同步。

尽管有时钟同步，通讯方也必须以某种方式标记数据开始。实现的最常用方法是使用像“串行数据链路控制”（“SDLC”）或者“高速数据链路控制”（“HDLC”）的数据包协议。

每种协议定义了一定的位序列来表示数据包的开始和结束，也定义了没有数据时的位序列。这些位序列使得通讯方明确数据包的开始。由于同步协议不使用每字节同步位它们比异步通信有至少25%的性能提升并且在多余两个串口的情形下更适合于远程网络和配置。

尽管同步通信有速度优势，由于需要额外的软硬件大多数 RS-232 硬件不支持。

编程指南的其他章节内容我先前翻译过，但是由于内容和部分知识点较为陈旧，因此我用其他整录的博客系列 -《Linux 串口编程》中进行详细讲解，感兴趣的可以移步至：

1. 《Linux 串口编程<一> 一些背景》
2. 《Linux 串口编程<二> 深入了解 termios》
3. 《Linux 串口编程<三> 使用termios与API 进行串口程序开发》
4. 《Linux 串口编程<四> 串口设备程序开发》