嵌入式Linux文件處理與串口通信

第6章嵌入式Linux

文件處理與串口通信教材：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用作者：張思民出版：清華大學(xué)出版社第6章嵌入式Linux

文件處理與串口通信

6.1嵌入式Linux的文件處理

6.1.1文件描述符及文件處理

6.1.2

open函數(shù)和close函數(shù)

6.1.3

read函數(shù)、write函數(shù)和lseek函數(shù)6.2嵌入式Linux串口通信技術(shù)

6.2.1嵌入式Linux串口通信基礎(chǔ)

6.2.2嵌入式Linux串口設(shè)置詳解

6.2.3

RS232C標(biāo)準(zhǔn)

6.2.4串口驅(qū)動程序的編寫6.1嵌入式Linux的文件處理6.1嵌入式Linux的文件處理由于嵌入式Linux是經(jīng)Linux裁減而來的，它的系統(tǒng)調(diào)用及用戶編程接口API與Linux基本上是一致的。6.1.1文件描述符及文件處理1、文件及文件描述符由于在Linux下設(shè)備和目錄都看作是文件，因此，Linux中的文件有4種類型：普通文件、目錄文件、鏈接文件和設(shè)備文件。Linux的內(nèi)核利用文件描述符訪問文件。文件描述符是非負(fù)整數(shù)。當(dāng)打開一個現(xiàn)存文件或新建一個文件時，內(nèi)核會向進(jìn)程返回一個文件描述符。當(dāng)讀寫文件時，也需要使用文件描述符來指定待讀寫的文件。1、文件及文件描述符通常，一個進(jìn)程啟動時，要打開3個文件：標(biāo)準(zhǔn)輸入、標(biāo)準(zhǔn)輸出和標(biāo)準(zhǔn)錯誤處理。標(biāo)準(zhǔn)輸入的文件描述符是0，標(biāo)準(zhǔn)輸出是1，標(biāo)準(zhǔn)錯誤處理是2。在POSIX中定義了STDIN_FILENO、STDOUT_FILENO和STDERR_FILENO來代替0、1、2。這三個符號常量的定義位于頭文件unistd.h中。6.1.1文件描述符及文件處理2、系統(tǒng)調(diào)用所謂系統(tǒng)調(diào)用是指操作系統(tǒng)提供給用戶程序調(diào)用的一組“特殊”接口，用戶程序可以通過這組“特殊”接口來獲得操作系統(tǒng)內(nèi)核提供的服務(wù)。例如用戶可以通過進(jìn)程控制相關(guān)的系統(tǒng)調(diào)用來創(chuàng)建進(jìn)程、實現(xiàn)進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程管理等。2、系統(tǒng)調(diào)用Linux為了保護(hù)內(nèi)核空間，將程序的運行空間分為內(nèi)核空間和用戶空間，它們在邏輯上是相互隔離的。用戶進(jìn)程在通常情況下不允許訪問內(nèi)核數(shù)據(jù)，也無法使用內(nèi)核函數(shù)，它們只能在用戶空間操作用戶數(shù)據(jù)，調(diào)用用戶空間的函數(shù)。當(dāng)用戶空間的進(jìn)程需要獲得一定的系統(tǒng)服務(wù)（調(diào)用內(nèi)核空間程序），操作系統(tǒng)就利用系統(tǒng)提供給用戶的“特殊接口”——系統(tǒng)調(diào)用，用戶進(jìn)程進(jìn)入內(nèi)核空間。進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時，程序運行空間需要從用戶空間進(jìn)入內(nèi)核空間，處理完后再返回到用戶空間。3、文件處理Linux系統(tǒng)的文件處理，主要是指進(jìn)行打開文件、讀文件、寫文件及關(guān)閉文件等I/O操作。大多數(shù)情況下，只需用到5個函數(shù)：open、read、write、lseek

和close。這幾個函數(shù)不需要經(jīng)過緩沖就能立即執(zhí)行，因此，被稱之為不帶緩存的I/O操作，即每一個函數(shù)都只調(diào)用內(nèi)核中的一個系統(tǒng)調(diào)用。6.1.2

open函數(shù)和close函數(shù)1、open函數(shù)

open函數(shù)用于打開或創(chuàng)建文件。調(diào)用open函數(shù)所需要的頭文件如下：

#include<sys/types.h>

#include<sys/stat.h>

#include<fcntl.h>其函數(shù)為：int

open(constchar*pathname,int

oflag,intperms);函數(shù)返回值：若文件打開成功則返回文件描述符，若出錯則返回-1。2、close函數(shù)close函數(shù)用于關(guān)閉一個打開的文件，所需要的頭文件為：#include<unistd.h>其函數(shù)為：int

close(int

fd)；函數(shù)返回值：若成功為0，若出錯為-1。關(guān)閉文件函數(shù)close的參數(shù)fd為文件描述符。3、示例【例6-1】用可讀寫方式新建（打開）一個文件。文件讀寫權(quán)限的表示：數(shù)字0表示無權(quán)限，數(shù)字1表示可執(zhí)行，數(shù)字2表示寫權(quán)限，數(shù)字4表示讀權(quán)限。常用數(shù)字求和來表示多權(quán)限的組合。例：文件的可讀寫權(quán)限可以用數(shù)字0600表示。/*file_open.c*/#include<stdio.h>#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>#include<fcntl.h>#include<unistd.h>#include<stdlib.h>【例6-1】用可讀寫方式新建（打開）一個文件。

必要的頭文件intmain(void){

intfd;//聲明文件描述符

fd=open(“open_test.c”,O_CREAT|O_TRUNC|O_RDWR,0600)；【例6-1】用可讀寫方式

新建（打開）一個文件。調(diào)用open函數(shù)，以可讀寫的方式打開，注意多個選項用“|”符號分隔

printf("openfile:open_test.cfiledes=%d\n",fd);

close(fd)；}【例6-1】用可讀寫方式

新建（打開）一個文件。關(guān)閉文件使用交叉編譯方法，宿主機(jī)上用arm-linux-gcc命令編譯程序：#arm-linux-gcc–oopen_armfile_open.c將編譯好的Linux執(zhí)行程序open_arm下載到目標(biāo)板上運行#open_armopenfile:open_test.cfiledes=36.1.3

read函數(shù)、write函數(shù)和lseek函數(shù)1、read函數(shù)read函數(shù)從打開的文件中讀取數(shù)據(jù)。調(diào)用read函數(shù)所需要的頭文件：

#include<unistd.h>其函數(shù)原型為：ssize_t

read(int

fd,void*buf,size_tcount);函數(shù)返回值為讀到數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，若返回值為0，則已經(jīng)到達(dá)文件尾，若返回-1則為出錯。文件描述符存放數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(數(shù)組)指定讀取數(shù)據(jù)大小2、write函數(shù)write函數(shù)用于向打開的文件實現(xiàn)寫入數(shù)據(jù)的操作。寫操作的位置從文件位置開始。調(diào)用write函數(shù)所需要的頭文件：#include<unistd.h>其函數(shù)原型為：ssize_t

write(int

fd,void*buf,size_tcount);函數(shù)返回值為已寫入數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，若返回-1則出錯。文件描述符存放數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(數(shù)組)指定讀取數(shù)據(jù)大小3、lseek函數(shù)lseek函數(shù)用于將文件指針定位到相應(yīng)的位置，以進(jìn)行讀寫操作。調(diào)用lseek函數(shù)所需要的頭文件：#include<unistd.h>#include<sys/types.h>其函數(shù)原型為：off_t

lseek(int

fd,off_toffset,intwhence);函數(shù)返回值為文件指針的新位置，若返回-1則出錯。文件描述符位移量位置基點：SEEK_SET：文件開頭SEEK_CUR：當(dāng)前位置SEEK_END：文件尾部

4、示例【例6-2】創(chuàng)建一新文件，然后對此文件進(jìn)行讀寫操作。設(shè)計思路與分析：（1）創(chuàng)建新文件（2）將指定內(nèi)容寫進(jìn)文件（3）讀取文件內(nèi)容（4）關(guān)閉文件設(shè)計思路與分析：（1）創(chuàng)建新文件假設(shè)要創(chuàng)建新的文件“aabb.c”，并將其保存到/tmp目錄之下，即其路徑為“/tmp/aabb.c”則：

fd=open("/tmp/aabb.c",O_CREAT|O_TRUNC|O_RDWR,0666);fd為文件描述符文件擁有者、同組用戶、不同組用戶均具有讀和寫的權(quán)限，則該文件的權(quán)限為666

設(shè)計思路與分析：（2）將指定內(nèi)容寫進(jìn)文件調(diào)用write()函數(shù)，將一段文本內(nèi)容寫到文件中，需要使用strlen()函數(shù)來檢測字符串長度：

len=strlen(buf);然后調(diào)用write()函數(shù)：

write(fd,buf,len)；buf為字符串設(shè)計思路與分析：（3）讀取文件內(nèi)容假設(shè)要讀文件中的前10個字符，我們首先要調(diào)用lseek()函數(shù)將文件指針移到文件起始處：

lseek(fd,0,SEEK_SET)；再調(diào)用read()函數(shù)將其讀出來：

write(fd,buf,len)；buf為字符數(shù)組設(shè)計思路與分析：（4）關(guān)閉文件文件使用完畢后，將其關(guān)閉，這是一個良好的編程習(xí)慣。

close(fd)；實現(xiàn)上述功能的完整程序如下：/*file_rw.c*/#include<unistd.h>#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>#include<fcntl.h>#include<stdlib.h>#include<stdio.h>#include<string.h>#defineMAXSIZE/*在主函數(shù)中調(diào)用各功能模塊*/intmain(void){ intfd;fd=open_file(); write_file(fd);read_file(fd);exit_file(fd);}打開文件寫入數(shù)據(jù)讀取數(shù)據(jù)關(guān)閉文件/*建立新文件aabb.c，并指定讀寫操作權(quán)限*/

intopen_file(){intfd;fd=open("/tmp/aabb.c",O_CREAT|O_TRUNC|O_RDWR,0666); printf("openfile:aabb.c,fd=%d\n",fd);return(fd);}

/*調(diào)用函數(shù)write()，將buf的內(nèi)容寫到指定的文件描述符文件中*/intwrite_file(intfd){ inti,size,len; char*buf="Hello!I'mwritingtothisfile!";len=strlen(buf); size=write(fd,buf,len); printf("Write:%s\n",buf);return0;}/*調(diào)用函數(shù)lseek()，將文件指針移到文件起始處，并讀文件中的10個字符*/ intread_file(intfd){ charbuf_r[10]; buf_r[10]='\0'; intsize; lseek(fd,0,SEEK_SET); size=read(fd,buf_r,10); printf("readfromfile:%s\n",buf_r);return0;}/*關(guān)閉文件*/

intexit_file(intfd){ close(fd); printf("Closeaabb.c\n"); exit(0);}6.2嵌入式Linux串口通信技術(shù)6.2.1嵌入式Linux串口通信基礎(chǔ)1、串口通信的工作原理所謂“串口通信”是指外設(shè)和計算機(jī)間使用一根數(shù)據(jù)信號線(另外需要地線),數(shù)據(jù)在一根數(shù)據(jù)信號線上一位一位地進(jìn)行傳輸，每一位數(shù)據(jù)都占據(jù)一個固定的時間長度。在串口傳輸中，發(fā)送方為了告訴接收方，新的數(shù)據(jù)字節(jié)分組到達(dá)，在每一個數(shù)據(jù)字節(jié)分組前面有一個起始位（通常是0），為了讓接收方知道字節(jié)已經(jīng)結(jié)束，在每一個數(shù)據(jù)字節(jié)分組后面有一個停止位（通常是1）。接收方一旦檢測到停止位，接收方會一直等待，直到下一個開始位。圖6.1串行傳輸數(shù)據(jù)的工作原理嵌入式系統(tǒng)串行通信采用EIARS-232C標(biāo)準(zhǔn)，為單向不平衡傳輸方式，信號電平標(biāo)準(zhǔn)±12V，負(fù)邏輯，即邏輯1(MARKING)表示為信號電平-12V，邏輯0(SPACING)表示為信號電平+12V，最大傳送距離15米，最大傳送速率19.6K波特，其傳送序列如圖6.1，平時線路保持為1，傳送數(shù)據(jù)開始時，先發(fā)送起始位(其數(shù)據(jù)值是0),然后傳8(或7，6，5)個數(shù)據(jù)位(其數(shù)據(jù)值是0，1)，接著可傳1位奇偶校驗位，最后為1～2個停止位(其數(shù)據(jù)值是1)，由此可見，傳送一個ASCII字符(7位)，加上同步信號最少需9位數(shù)據(jù)位。2、常用信號引腳與串口通信接線圖6.2串口的連接線

6.2.2嵌入式Linux串口設(shè)置詳解1、起始位通信線路上沒有數(shù)據(jù)被傳送時，處于邏輯“1”的狀態(tài)。當(dāng)發(fā)送設(shè)備要發(fā)送字符數(shù)據(jù)時，首先發(fā)送一個邏輯“0”信號，這個邏輯低電平就是起始位。起始位通過通信線路傳輸?shù)浇邮斩?，接收端檢測到這個低電平后，就開始準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)位信號。起始位所起的作用就是使通信雙方同步。2、數(shù)據(jù)位當(dāng)接收端收到起始位后，開始接收數(shù)據(jù)位。數(shù)據(jù)位的個數(shù)可以是5～8位。在數(shù)據(jù)傳送過程中，數(shù)據(jù)位從最低有效位開始傳送，接收端收到數(shù)據(jù)后，依次將其轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)。3、奇偶校驗位數(shù)據(jù)位發(fā)送完后，為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，還要再傳送一個奇偶校驗位。奇偶校驗用于差錯檢測。如果選擇偶校驗，則數(shù)據(jù)位和奇偶位的邏輯“1”的個數(shù)必須為偶數(shù)，相反，如果是奇校驗，數(shù)據(jù)位和奇偶位的邏輯“1”的個數(shù)為奇數(shù)。4、停止位在奇偶位或數(shù)據(jù)位（當(dāng)無奇偶校驗時）之后發(fā)送停止位。停止位表示一個數(shù)據(jù)的結(jié)束。它可以是1～2位的低電平。接收端收到停止位后，通信線路便恢復(fù)邏輯“1”的狀態(tài)，直到下一個數(shù)據(jù)的起始位到來。5、波特率設(shè)置通信線路上傳輸?shù)奈唬ùa元）信號都必須保持一致的信號持續(xù)時間，單位時間內(nèi)傳送碼元的數(shù)目稱為波特率。對于大多數(shù)嵌入式設(shè)備來說，其波特率都設(shè)置為115200。在Linux中，所有的設(shè)備文件一般都位于“/dev”下，其中串口一、串口二所對應(yīng)的設(shè)備名依次為“/dev/ttyS0”、“/dev/ttyS1”，可以查看在“/dev”下的文件以確認(rèn)。6.2.3

RS232C標(biāo)準(zhǔn)1、電氣特性2、引腳定義3、字符（幀）格式RS232C采用起止式異步通信協(xié)議，其特點是一個字符接著一個字符進(jìn)行傳輸，并且傳送一個字符總是以起始位開始，以停止位結(jié)束，字符之間沒有固定的時間間隔要求。其傳輸格式如圖6.1所示，每一個字符的前面都有一位起始位（低電平，邏輯值“0”），字符本身有5～8位數(shù)據(jù)位，接著字符后面是一位校驗碼（也可以沒有校驗碼），最后是停止位。停止位后面是不定長度的空閑位。停止位和空閑位都規(guī)定為高電平（邏輯值“1”），這樣就能保證起始位開始處一定有一個下跳沿，便于接收方識別。4、握手協(xié)議5、雙機(jī)互連方式（1）無硬件握手情況（2）DTR和DSR握手情況（3）RTS和CTS握手情況6.2.4串口驅(qū)動程序的編寫一個串口驅(qū)動程序，通常包括打開串口、設(shè)置串口參數(shù)、對串口進(jìn)行讀寫操作等內(nèi)容。1、串口操作需要的頭文件#include<stdio.h>/*標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出定義*/#include<stdlib.h>/*標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)庫定義*/#include<unistd.h>/*Unix標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)定義*/#include<sys/types.h>#include<sys/stat.h>#include<fcntl.h>/*文件控制定義*/#include<termios.h>/*終端控制定義*/#include<errno.h>/*錯誤號定義*/2、打開串口通常嵌入式Linux系統(tǒng)下的串口文件是位于/dev下：串口一為/dev/ttyS0；串口二為/dev/ttyS1。打開串口是通過打開函數(shù)open()進(jìn)行的。int

fd;

//文件描述符fd=open(“/dev/ttyS0”,O_RDWR);

//以讀寫方式打開串口3、設(shè)置串口參數(shù)最基本的串口參數(shù)設(shè)置包括波特率設(shè)置，校驗位和停止位設(shè)置。串口的設(shè)置主要是設(shè)置結(jié)構(gòu)體struct

termios

的各成員值。＃include<termios.h>struct

termio{

unsignedshortc_iflag; unsignedshortc_oflag; unsignedshortc_cflag; unsignedshor