串口通信作為一種最傳統(tǒng)的通信方式，在工業(yè)自動化、通訊、控制等領域得到廣泛使用。而Linux系統(tǒng)，作為一種流行的開源操作系統(tǒng)，也廣泛應用于這些領域。本文將深度分析Linux的UART子系統(tǒng)，介紹如何實現(xiàn)一個完美的串口通信解決方案。

一、UART子系統(tǒng)概述

UART(Universal Asynchronous Receiver/Tranitter)是一種常見的串行通信協(xié)議，支持異步傳輸。UART接口被應用于所有的計算機上，從微控制器到工控機、服務器等設備。

Linux內核提供了UART子系統(tǒng)作為串行設備的核心實現(xiàn)。UART子系統(tǒng)的主要作用是管理和控制串行設備的讀寫，包括接口的標準化和通信流程的控制。它是Linux內核和用戶空間之間交互的接口。在Linux內核中，UART子系統(tǒng)也是串行驅動的基礎。

UART子系統(tǒng)有四個重要的組成部分，包括內核中的UART驅動程序、串口子系統(tǒng)、TTY驅動程序以及用戶空間的工具。

1. 內核中的UART驅動程序

在Linux內核中，UART驅動程序掌管與串行設備的通信。它提供了串口通信的底層操作函數，可以調用串口驅動的開關、初始化、寫、讀、控制等各種操作。Linux中有許多UART驅動程序，每種驅動程序可以用于支持不同的串行設備。

2. 串口子系統(tǒng)

串口子系統(tǒng)提供了一個抽象的串行接口，它允許控制和管理所有共享同一個串口的設備。串口子系統(tǒng)通過設備文件/dev/ttySx或/dev/ttyUSBx訪問。串口驅動程序控制串口設備的行為，而TTY驅動程序提供了編碼和解碼機制來解決通用字符設備驅動程序和串口驅動程序之間的差異。

3. TTY驅動程序

TTY驅動程序是一個通用字符設備驅動程序，它將技術細節(jié)屏蔽在內部并將其公開為標準接口，與不同設備的驅動程序兼容。對于串口設備，TTY驅動程序通過串口子系統(tǒng)中的解碼器和編碼器提供了UART協(xié)議支持。這種方式簡化了通訊編程，讓應用程序員可以更加輕松地與串行設備交互。

4. 用戶空間工具

用戶空間應用程序可通過讀寫串口設備的文件來與串口設備通信?？梢允褂脴藴蔆庫函數和API調用，如open()、close()、read()和write()等。

二、實現(xiàn)串口通信

實現(xiàn)串口通信需要廣泛的應用程序知識，具體步驟如下：

1. 打開串口設備文件

首先需要通過open()函數打開串口設備文件。設備名稱如/dev/ttyS0或/dev/ttyS1等。

“`C

int fd = open(“/dev/ttyS0”, O_RDWR | O_NOCTTY);

“`

2. 配置串口設備參數

通過TCgetattr()和TCsetattr()等函數可以從控制終端獲取或設置端口的屬性。常用的屬性包括波特率、字符大小、校驗位和停止位等。

“`C

struct termios options;

tcgetattr(fd, &options);

options.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD);

options.c_cflag &= ~CSIZE;

options.c_cflag |= CS8;

options.c_cflag &= ~PARENB;

options.c_cflag &= ~CSTOPB;

cfsetispeed(&options, B115200);

cfsetospeed(&options, B115200);

tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);

“`

以上是一種常見的串口設備屬性設置，包括字符長度為8bits，無校驗位，1個停止位，波特率為115200等。

3. 讀/寫數據

讀寫串口設備數據時，可以使用read()和write()函數。這些函數可以在指定的時間內等待讀/寫完成。

“`C

char buf[255];

int len = read(fd, buf, sizeof(buf));

write(fd, buf, len);

“`

4. 關閉串口設備

當完成串口通信后，應該使用close()函數關閉串口設備。

“`C

close(fd);

“`

通過上述步驟，我們可以輕松地實現(xiàn)串口通信。但是，由于串口技術的專業(yè)性，調試和優(yōu)化過程可能會變得繁瑣和昂貴。在此處，我們建議使用常見的串口調試工具，在Linux中有許多優(yōu)秀的串口調試工具可用。

三、使用Debug工具

調試串口通信時，有幾個重要的參數，包括波特率、數據位、停止位、校驗位等。通過串口調試工具，可以更加直觀地查看回應數據，調整參數等。

1. minicom

Minicom是一款開源的串口通信程序，可用于調試、監(jiān)視和控制串口設備。它是一個命令行串口調試工具，提供了許多強大的功能，包括自動發(fā)送和斷線重聯(lián)等。

一、串行通訊與并行通訊

在通信和計算機科學中，串行通信(Serial Communication)是一個通用概念，泛指所有的串行的通信協(xié)議，如RS232、RS422、RS485、USB、I2C、SPI等。

串行通訊是指僅用一根接收線和一根發(fā)送線就能將數據以位進行傳輸的一種通訊方式。盡管串行通訊的比按字節(jié)傳輸的并行通信慢，但是串口可以在僅僅使用兩根線的情況下就能實現(xiàn)數據的傳輸。

二、串口通訊模式

串口通訊模式包括單工、半雙工和全雙工，其中單工模式數據傳輸只支持數據在一個方向上傳輸。半雙工模式允許數據在兩個方向上傳輸，但某一時刻只允許數據在一個方向上傳輸，實際上是一種切換方向的單工通信，不需要獨立的接收端和發(fā)送端，兩者可合并為一個端口。詳見下圖：

三、串口通訊協(xié)議

最初數據是模擬信號輸出簡單過程量，后來儀表接口出現(xiàn)了RS232接口，這種接口可以實現(xiàn)點對點的通信方式，但這種方式不能實現(xiàn)聯(lián)網功能，這就促生了RS422和RS485。

我們知道串口通信的數據傳輸都是0和1，在單總線、I2C、UART中都是通過一根線的高低電平來判斷邏輯1或者邏輯0，但這種信號線的GND再與其他設備形成共地模式的通信，這種共地模式傳輸容易產生干擾，并且抗干擾性能也比較弱。所以差分通信、支持多機通信、抗干擾強的RS422和RS485就被廣泛的使用了。

RS422和RS485通信最大特點就是傳輸速度最大可以達到10Mb/s以上，最大傳輸距離超過1000米。大家需要注意的是雖然485最大速度和最大傳輸距離都很大，但是傳輸的速度是會隨距離的增加而變慢的，所以兩者是不可以兼得的。

四、RS232詳細介紹

1.RS232的基本特性

RS-232是串行數據接口標準，是由電子工業(yè)協(xié)會(EIA: Electronic Industries Alliance)制訂并發(fā)布的工業(yè)標準，以保證不同廠家產品之間的兼容。特性如下：

2.RS232的物理特性

在RS232的通訊方式中，兩個通訊設備的"DB9接口"之間通過串口信號線建立起連接，串口信號線中使用"RS-232標準"傳輸數據信號。D型或D-subminiature(D形狀超小型)連接器的原始編號系統(tǒng)使用D作為前綴(將其名稱命名為系列)，然后根據外殼尺寸選擇A，B，C，D或E，末尾數字表示引腳數量。詳見下圖：

3.RS232的通信協(xié)議

RS232一般使用DB9接口，由于兩個通訊設備之間的收發(fā)信號(RXD與TXD)應交叉相連，所以調制調解器端的DB9母頭的收發(fā)信號接法一般與公頭的相反。DB9公頭、母頭以及引腳說明詳見下方圖和表。

4.RS232的波特率

在信道中，攜帶數據信息的信號單元叫碼元，單位時間內通過信道傳輸的碼元數稱為碼元傳輸速率，簡稱波特率(Baud Rate)，其單位是波特(Baud,symbol/s)，波特率是傳輸通道頻寬的指標。RS232典型的“波特率”是

300/1200/2400/9600/19200/38400/115200 /230400等。

表2 不同BAUD Rate對應的RS232通信距離

5.RS232的數據結構

一個完整的串行數據，也就是一個數據幀(Data frame)，或者一個字符幀，包括起始位、數據位、停止位、奇偶校驗位。數據位前后即幀頭和幀尾，包含一些必要的控制信息。其中，MSB(Most Significant Bit)是指低地址存放最高有效字節(jié)，LSB(Least Significant Bit)則是低地址存放最低有效字節(jié)。

起始位：起始位必須是持續(xù)一個比特時間的邏輯0電平，標志傳輸一個字符的開始，接收方可用起始位使自己的接收時鐘與發(fā)送方的數據同步。

數據位：數據位緊跟在起始位之后，是通信中的真正有效信息。數據位的位數可以由通信雙方共同約定。傳輸數據時先傳送字符的低位，后傳送字符的高位。

奇偶校驗位：奇偶校驗位僅占一位，用于進行奇校驗或偶校驗，奇偶檢驗位不是必須有的。如果是奇校驗，需要保證傳輸的數據總共有奇數個邏輯高位;如果是偶校驗，需要保證傳輸的數據總共有偶數個邏輯高位。

停止位：停止位可以是是1位、1.5位或2位，可以由軟件設定。它一定是邏輯1電平，標志著傳輸一個字符的結束。

空閑位：空閑位是指從一個字符的停止位結束到下一個字符的起始位開始，表示線路處于空閑狀態(tài)，必須由高電平來填充。

6.RS232與RS232(TTL)

RS-232電平標準的信號不能直接被控制器直接識別，所以這些信號會經過一個"電平轉換芯片"轉換成控制器能識別的"TTL校準"的電平信號，才能實現(xiàn)通訊。

TTL全名是晶體管-晶體管邏輯集成電(Transistor-Transistor Logic)，這種串行通信，對應的物理電平，始終是在0V和Vcc之間，其中常見的Vcc是5V或3.3V。TTL 高電平1是>=2.4V，低電平0是<=0.5V(對于5V或3.3V電源電壓)，這里是正邏輯。

RS-232電平標準的信號不能直接被控制器直接識別，所以這些信號會經過一個"電平轉換芯片"轉換成控制器能識別的"TTL"的電平信號，才能實現(xiàn)通訊。