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隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，串口接口在工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、消費(fèi)電子等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。而對(duì)于Linux操作系統(tǒng)而言，如何處理串口中斷則成為了一個(gè)需要解決的問題。
串口中斷是指通過串口傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，接收端需要向發(fā)送端發(fā)送一些確認(rèn)信息，以達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸正確的目的。而在Linux下，處理串口中斷的方法分為以下兩種：
一、軟件方式處理串口中斷
在使用Linux進(jìn)行串口通信時(shí)，可以利用系統(tǒng)調(diào)用（system call）機(jī)制要求系統(tǒng)為其注冊串口中斷服務(wù)程序，并利用此程序進(jìn)行中斷處理。
具體而言，可以使用Linux內(nèi)核提供的”tty drivers”(tty驅(qū)動(dòng)程序)來完成此項(xiàng)任務(wù)。 tty驅(qū)動(dòng)程序可以從硬件中讀取串口數(shù)據(jù)，接著將數(shù)據(jù)送到操作系統(tǒng)的中斷請求隊(duì)列中，由此觸發(fā)中斷服務(wù)程序進(jìn)行處理。
不過值得注意的是，由于Linux中多個(gè)進(jìn)程具有競爭關(guān)系的關(guān)系，這種方式很容易引起進(jìn)程或線程阻塞等問題，需要進(jìn)行深入的優(yōu)化。
二、硬件方式處理串口中斷
硬件方式處理串口中斷則是指，可以利用Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的interrupt(中斷)機(jī)制，直接利用操作系統(tǒng)中的工具“注冊中斷處理函數(shù)”并與串口接口聯(lián)系起來。
在進(jìn)行硬件方式處理串口中斷時(shí)，也可以利用Linux內(nèi)核的I/O映射機(jī)制，將設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與內(nèi)核建立聯(lián)系并實(shí)現(xiàn)中斷處理。
不過這種方式需要進(jìn)行一些硬件層面的開發(fā)人員才能夠部署和調(diào)試。
無論采用軟件方式還是硬件方式，處理串口中斷對(duì)于Linux操作系統(tǒng)而言都是一個(gè)十分重要的任務(wù)。而對(duì)于工程師們而言，則需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景選擇戰(zhàn)略，并進(jìn)行相關(guān)的程序設(shè)計(jì)和調(diào)試，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定并能夠達(dá)到預(yù)期的數(shù)據(jù)傳輸目的。
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開發(fā)虛擬串口驅(qū)動(dòng)程序
虛擬串口就是當(dāng)本地并沒有對(duì)應(yīng)的串口硬件設(shè)備，而為應(yīng)用層提供串口設(shè)備一樣的系統(tǒng)調(diào)用接口，以兼容原本使用本地串口的應(yīng)用軟件的“虛”設(shè)備。本文作者給出了一種在Windows平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)虛擬串口的方法，由此實(shí)現(xiàn)的“串口”具有真實(shí)串口完全相同的系統(tǒng)調(diào)用接口。
在很多應(yīng)用中需要用到虛擬串口，如在Modem卡出現(xiàn)之前，已經(jīng)有了接在計(jì)算機(jī)串口上的外部Modem，而且各種拔號(hào)程序也是通過串口與外部Modem通信的。為了讓已有的拔號(hào)程序不做修改,像使用外部Modem一樣使用內(nèi)置卡，就需要內(nèi)置卡的驅(qū)動(dòng)程序虛擬一個(gè)串口設(shè)備。又如當(dāng)前工業(yè)界使用的一些串口服務(wù)器，缺枯往往有8個(gè)或16個(gè)甚至更多的串口，以連接多個(gè)串口設(shè)備，再通過一個(gè)網(wǎng)卡直接連入以太網(wǎng)。與它在同一網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算機(jī)就通過以太網(wǎng)與串口服務(wù)器上掛接的串口設(shè)備通信。為了讓計(jì)算機(jī)中原來使用本地串口的軟件兼容，就需要在計(jì)算機(jī)上提供虛擬串口驅(qū)動(dòng)。
虛擬串口的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于，該“串口”實(shí)現(xiàn)后必須具有與真實(shí)串口完全相同的系統(tǒng)調(diào)用接口。要做到這點(diǎn)，從已有的串口設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序上做修改是更佳捷徑。下文就介紹以Windows NT上的串口驅(qū)動(dòng)程序?yàn)榛A(chǔ)，開發(fā)可運(yùn)行于Windows NT、Windows 2023、Windows XP的各個(gè)版本虛擬串口驅(qū)動(dòng)程序。
串口驅(qū)動(dòng)中使用的幾個(gè)鏈表
由于串口是雙工設(shè)備，在一個(gè)讀請求發(fā)出來還沒有完成之前，同時(shí)可以發(fā)出寫請求，加上在驅(qū)動(dòng)程序?qū)铀蠭/O請求都要求異步完成，即前一個(gè)請求尚沒有完成，下一個(gè)相同的請求可能又來了。為此，串口驅(qū)動(dòng)程序需要使用多個(gè)雙向鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來處理各種IRP（I/O Request Packet，I/O請求包）。當(dāng)收到一個(gè)IRP，先判斷是否可立即完成，可以馬上處理并返回，如果不允許則將IRP插在相應(yīng)鏈表尾，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候如設(shè)備有空閑時(shí)處理，這時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生一個(gè)硬件中斷，激發(fā)DPC（Deferred Procedure Call，暫緩過程調(diào)用）過程，由DPC處理函數(shù)逐個(gè)從鏈表頭取出IRP并試著完成它。串口驅(qū)動(dòng)中有以下幾個(gè)鏈表和DPC(在serial.h中有定義):
ReadQueue 和 CompleteReadDpc
用于保存Read IRP的鏈表和用于調(diào)度的DPC，與DPC對(duì)應(yīng)的處理函數(shù)是SerialCompleteRead，它在read.c文件中，該函數(shù)的主要任務(wù)就是從ReadQueue中提取下一個(gè)IRP，并試著完成它。
WriteQueue 和 CompleteWriteDpc
用于保存Write IRP的鏈表和對(duì)應(yīng)的DPC，與DPC對(duì)應(yīng)的函數(shù)是SeriaCompleteWrite，它的實(shí)現(xiàn)在write.c中，該函數(shù)負(fù)責(zé)從WriteQueue中提取IRP，并試著完成它。
MaskQueue 和 CommWaitDpc
這一對(duì)鏈表用于處理Windows串口驅(qū)動(dòng)的一個(gè)特性：事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制。它允許應(yīng)用程序預(yù)設(shè)一個(gè)事件標(biāo)志，而后等待與標(biāo)志對(duì)應(yīng)事件發(fā)生。DPC所調(diào)用的函數(shù)是SerialCompleteWait，它實(shí)現(xiàn)在Waitmask.c文件中，該函數(shù)也是試著從MaskQueue中提取IRP并完成它。
PurgeQueue
該鏈表與前面幾個(gè)稍有不同伏鍵洞，它沒有與之相對(duì)應(yīng)的DPC機(jī)制，而是在每次收到Purge請求時(shí)從PurgeQueue中逐個(gè)提取IRP并試著完成，因某種原因不能完成時(shí)則插入鏈表。相應(yīng)的函數(shù)是purge.c文件中的SerialStartPurge。
以上機(jī)制是串口驅(qū)動(dòng)程序的重要實(shí)現(xiàn)方法，在虛擬串口驅(qū)動(dòng)中需要保留，但不同的是，硬件串口驅(qū)動(dòng)中是ISR（中斷服務(wù)程序）根據(jù)收、發(fā)或MODEM中斷來激發(fā)相應(yīng)的DPC，而在虛擬串口驅(qū)動(dòng)中將因?qū)嶋H情況不同會(huì)有不同的激發(fā)機(jī)制。
DriverEntry的實(shí)現(xiàn)
DriverEntry是驅(qū)動(dòng)程序的入口函數(shù)，相當(dāng)于應(yīng)用程序C語言中的main函數(shù)，開發(fā)一個(gè)虛擬串口驅(qū)動(dòng)亮悶首先要修改的就是它。它的函數(shù)實(shí)體在initunlo.c文件中。只是在虛擬串口驅(qū)動(dòng)中由于不與具體的硬件打交道，就不存在硬件資源分析、硬件初始化、判斷其工作狀態(tài)等處理，只需要為虛擬串建立設(shè)備對(duì)象、符號(hào)鏈接和初始化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。一個(gè)典型函數(shù)實(shí)現(xiàn)大體如下：
NTSTATUS DriverEntry(IN PDRIVER_OBJECT DriverObject, IN PUNICODE_STRING RegistryPath)
{
/*填寫DriverObject->MajorFunction數(shù)組*/
/*建立設(shè)備對(duì)象*/
/*初始化SERIAL_DEVCIE_EXETENSION數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)*/
Status = IoCreateDevice(DriverObject, sizeof(SERIAL_DEVICE_EXTENSION), &uniNameString, FILE_DEVICE_SERIAL_PORT, 0,TRUE,&deviceObject);
//初始化所有鏈表
InitializeListHead(&extension->ReadQueue);
InitializeListHead(…);
…;
//初始化所有DPC
KeInitializeDpc(&extension->CompleteReadDpc,SerailCompleteRead,extension);
KeInitializeDpc(…);
/*建立符號(hào)鏈接*/
SerialSetupExternalNaming(extension);
return Status;
}
SerialRead和SerialCompleteRead的實(shí)現(xiàn)
函數(shù)SerailRead和SerialCompleteRead決定了對(duì)Read IRP的響應(yīng)策略，它們都存于read.c中。以串口服務(wù)器要用的虛擬串口為例，當(dāng)串口服務(wù)器收到來自外部數(shù)據(jù)時(shí)將通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)則產(chǎn)生相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)中斷并進(jìn)行協(xié)議數(shù)據(jù)處理。網(wǎng)絡(luò)接收線程緩存新收到的數(shù)據(jù)并激活CompleteReadDpc，從而SerialCompleteReadIrp得到調(diào)用，它再調(diào)用CompleteReadIrp對(duì)每個(gè)IRP進(jìn)行處理。它們的實(shí)現(xiàn)大體如下：
NTSTATUS SerialRead(IN PDEVICE_OBJECT DeviceObject,IN PIRP Irp)
{
/*此處略去變量聲明和初始化*/
/*提取IRP中相關(guān)的數(shù)據(jù)*/
stack = IoGetCurrentIrpStackLocation(Irp);
ReadLen = stack->Parameters.Read.Length;
/*先看本地緩沖有數(shù)據(jù)否？有的話先讀取*/
if(Extension->InCounter > 0 )
{ //注意這里要加鎖，以防數(shù)據(jù)訪問沖突
KeAcquireSpinLock(&Extension->
ReadBufferLock,&lIrql);
FirstRead = (ReadLen>Extension->
InCounter)? Extension->InCounter: ReadLen;
RtlCopyMemory(Irp->AssociatedIrp.
SystemBuffer,Extension->pInBuffer,FirstRead);
Extension->InCounter -= FirstRead;
ReadLen -= FirstRead;
KeReleaseSpinLock(&Extension->
ReadBufferLock,lIrql);//釋放鎖
}
/*是否已讀到足夠數(shù)據(jù)？是的話則完成該IRP*/
if( 0 == ReadLen)
{
status=STATUS_SUCCESS;
Irp->IoStatus.Status = status;
Irp->IoStatus.Information = FirstRead;
IoCompleteRequest(Irp,0);
return status;
}
/*沒有則將IRP插入隊(duì)列中，通過網(wǎng)絡(luò)向串口服務(wù)器發(fā)出讀數(shù)據(jù)請求*/
IoMarkIrpPending(Irp);
InsertWaitList(Extension->ReadQueue,Irp);
status = TdiSendAsync(Extension->ComChannel,pAckPacket,PacketLen(pAckPacket),(PVOID)ReadAckComplete,Irp);
/*返回PENDING，表示該IRP尚沒有完成*/
return STATUS_PENDING;
}
Void CompleteReadIrp(IN PSERIAL_DEVICE_EXTENSION extension,IN PIRP Irp,IN PUCHAR pInData,IN ULONG Length )
{
/*此處略去變量聲明和初始化*/
/*讀取新數(shù)據(jù)*/
ReadLen = (ReadLen > Length)? Length : ReadLen;
if(ReadLen != 0)
{
RtlCopyMemory(pReadAsync->
pReadBuffer,pInData,ReadLen);
pReadAsync->pReadBuffer += ReadLen;
pReadAsync->ReadAlready += ReadLen;
extension->PerfStats.ReceivedCount +=
ReadLen;
}
else
{
/*因?yàn)榇诜?wù)器端只有在已經(jīng)有了相應(yīng)的數(shù)據(jù)或超過時(shí)間（此時(shí)，Length=0）才會(huì)發(fā)來應(yīng)答并激活本DPC過程，所以此時(shí)已經(jīng)超時(shí)，為了便于結(jié)束本IRP，這里有意改變TotalNeedRead，造成接收完畢的假象*/
pReadAsync->TotalNeedRead =
pReadAsync->ReadAlready;
}
if(pReadAsync->TotalNeedRead == pReadAsync->ReadAlready)
{
/*該IRP是否已經(jīng)接收完畢，是的話則結(jié)束該
IRP*/
EndReadIrp(Irp)；
/*從ReadQueue中取下一個(gè)IRP*/
}
/*本IRP沒有完成也沒有超時(shí)，則繼續(xù)等待本DPC下次被激活，注意此時(shí)要判斷IRP是否被要求取消*/
}
SerialWrite和SerailCompleteWrite的實(shí)現(xiàn)
SerialWrite和SerailCompleteWrite決定了Write IRP的實(shí)現(xiàn)。在SerialWrite中調(diào)用了網(wǎng)絡(luò)發(fā)送函數(shù)TdiSendAsync,當(dāng)該發(fā)送完成后將激活CompleteWriteDpc，調(diào)度SerialCompleteWrite函數(shù)，而它主要就是取出當(dāng)前的WriteIRP,設(shè)置已經(jīng)發(fā)送的數(shù)據(jù)數(shù)量，調(diào)用CompleteWriteIrp做該IRP的進(jìn)一步處理。它們大體如下：
NTSTATUS SerialWrite(IN PDEVICE_OBJECT DeviceObject,IN PIRP Irp)
{
/*此處略去變量聲明和初始化*/
/*從IRP中提取有關(guān)數(shù)據(jù)*/
stack=IoGetCurrentIrpStackLocation(Irp);
SendLen = stack->Parameters.Write.Length;
/*為網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和異步操作分配緩沖,在CompleteWrite中全部數(shù)據(jù)發(fā)送完后釋放*/
pWriteAsync = ExAllocatePool(NonPagedPool,
SendLen+PACKET_HEADER_LEN+sizeof(WRITE_ASYNC));
if(pWriteAsync == NULL)
{
//錯(cuò)誤處理
}
//保存異步數(shù)據(jù)
…
//設(shè)置網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)包
BuildDataPacket(pPacket,WRITE,(USHORT)SendLen,pWriteAsync->pWriteBuffer);
/*先將IRP暫時(shí)阻塞并插入隊(duì)列，在CompleteWrite中完成*/
IoMarkIrpPending(Irp);
InsertWaitList(extension->WriteQueue, Irp);
/*將寫請求和相關(guān)數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)向串口服務(wù)器，由它負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳到具體串口設(shè)備*/
status = TdiSendAsync(Extension->ComChannel,pPacket,PacketLen(pPacket),(PVOID)CompleteWriteIrp,Irp);
//統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)累加
Extension->PerfStats.TranittedCount += SendLen;
return STATUS_PENDING;
}
NTSTATUS CompleteWriteIrp(IN PDEVICE_OBJECT deviceobject,IN PIRP pIrp,IN PVOID context)
{
/*此處略去變量聲明和初始化*/
SendLen=pWriteAsync->TotalNeedWrite – pWriteAsync->WroteAlready;
if(SendLen == 0)//全部數(shù)據(jù)發(fā)送完畢
{
EndWaitWriteIrp(pWriteIrp,STATUS_SUCCESS,
pWriteAsync->WroteAlready,pWriteAsync);
//從WriteQueue中取下一個(gè)IRP;
}
else //發(fā)送剩余數(shù)據(jù)
{
if(pWriteIrp->Cancel)
{
//IRP被要求取消，完成WriteIrp
EndWaitWriteIrp(pWriteIrp,STATUS_CANCELLED,
pWriteAsync->WroteAlready,pWriteAsync);
return STATUS_CANCELED;
}
else
{
//再次設(shè)置網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包并發(fā)送
BuildDataPacket(…);
status = TdiSendAsync(…);
//統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)累加
Extension->PerfStats.TranittedCount +=
SendLen;
return STATUS_MORE_PROCESSING_REQUIRED;
}
}
}
其他幾個(gè)接口函數(shù)的實(shí)現(xiàn)
除Read/Write外，SerialUnload、SerialCreateOpen、 SerialClose、SerialCleanup、SerailFlush等調(diào)用接口是硬件相關(guān)性比較弱的接口函數(shù)，基本不要修改，直接刪除原來操作硬件的部分即可。復(fù)雜一點(diǎn)就是SerialIoControl，該接口函數(shù)包含有大量設(shè)置、讀取串口硬件狀態(tài)的處理，可建立一個(gè)本地?cái)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)隨時(shí)保存虛擬串口的當(dāng)前硬件狀態(tài)。同時(shí)為了保證串口服務(wù)器端的真實(shí)串口狀態(tài)和上層軟件要求的一致，需要將所有設(shè)置請求通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器端，由它負(fù)責(zé)改變真實(shí)硬件的狀態(tài)。
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