戰(zhàn)：從termios配置到Zynq平臺(tái)部署)
簡(jiǎn)介VxWorks廣泛部署于航空航天、通信、工業(yè)自動(dòng)化等實(shí)時(shí)性要求極高的場(chǎng)景串口通信則是設(shè)備交互與調(diào)試環(huán)節(jié)中最常用也最基礎(chǔ)的手段之一。這份示例程序以TestUart項(xiàng)目為載體面向嵌入式初學(xué)者與工程開發(fā)人員重點(diǎn)演示VxWorks標(biāo)準(zhǔn)串口驅(qū)動(dòng)API的完整調(diào)用流程包括端口打開、波特率及數(shù)據(jù)位/校驗(yàn)位/停止位配置、數(shù)據(jù)收發(fā)、中斷服務(wù)注冊(cè)、任務(wù)同步與異常返回處理等關(guān)鍵分支。壓縮包共25個(gè)文件整體僅26KB以main.c、usart.c等C源碼為核心同時(shí)附有Tornado環(huán)境下的.mcp工程文件、.map鏈接映射、.hex燒寫文件以及.lst、.sym等調(diào)試文件便于從源碼到運(yùn)行鏡像逐層對(duì)照。目前該資源已有762人學(xué)習(xí)使用。通過(guò)研讀并調(diào)試這些代碼讀者能掌握serialOpen、serialWrite、serialRead等接口的實(shí)際用法理解VxWorks串口驅(qū)動(dòng)在中斷與多線程環(huán)境中的配合要點(diǎn)進(jìn)而快速移植到自己的硬件平臺(tái)或應(yīng)用項(xiàng)目中提升嵌入式系統(tǒng)開發(fā)效率。1. 項(xiàng)目概述與核心思路拆解1.1 這個(gè)示例到底解決什么問(wèn)題搞過(guò)嵌入式開發(fā)的朋友都清楚VxWorks作為一款硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在航空、航天、工業(yè)控制、高端裝備這些領(lǐng)域里依然是難以替代的存在。而串口通信恰恰是嵌入式系統(tǒng)里最基礎(chǔ)、最常用的調(diào)試和數(shù)據(jù)交互手段——小到啟動(dòng)時(shí)的控制臺(tái)輸出大到設(shè)備間的指令下發(fā)、狀態(tài)回傳串口幾乎貫穿整個(gè)產(chǎn)品生命周期。我接觸VxWorks有幾年時(shí)間從最開始在模擬器上跑通一個(gè)Hello World到后來(lái)在真實(shí)板卡上調(diào)試驅(qū)動(dòng)踩過(guò)的坑不少。其中串口通信這塊網(wǎng)上資料不算少但大多停留在調(diào)用open/read/write這種API層面的簡(jiǎn)單示范真正涉及VxWorks特有的設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架、串口參數(shù)配置細(xì)節(jié)、以及多任務(wù)環(huán)境下串口使用的注意事項(xiàng)講清楚的并不多。這篇博文就基于一個(gè)實(shí)際可運(yùn)行的VxWorks串口通信示例程序展開核心目標(biāo)有三個(gè)第一講清楚VxWorks下串口設(shè)備從打開、配置到讀寫關(guān)閉的完整流程第二把容易踩坑的細(xì)節(jié)和背后的原理說(shuō)透比如波特率配置為什么有的板子不生效、中斷模式下read返回時(shí)機(jī)怎么控制第三給出一份能直接編譯運(yùn)行的參考代碼讓初學(xué)者能快速搭建起自己的串口通信測(cè)試環(huán)境。1.2 為什么選擇標(biāo)準(zhǔn)串口驅(qū)動(dòng)框架而不是直接操作寄存器有個(gè)常見(jiàn)誤區(qū)很多從裸機(jī)開發(fā)轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)的工程師習(xí)慣直接讀寄存器。在VxWorks上這么做短期看好像效率很高實(shí)際上代價(jià)很大。VxWorks的設(shè)備驅(qū)動(dòng)架構(gòu)里串口被抽象成了標(biāo)準(zhǔn)的tty設(shè)備通過(guò)tyCoDrv、uart驅(qū)動(dòng)層和具體芯片驅(qū)動(dòng)三層結(jié)構(gòu)來(lái)管理。應(yīng)用層只需要用open/read/write/ioctl這套POSIX接口操作設(shè)備文件即可完全不用關(guān)心底層是16550還是Zynq上的UART控制器。選擇這套標(biāo)準(zhǔn)框架的好處很明顯。首先是可移植性同一份應(yīng)用層代碼從x86平臺(tái)換到ARM平臺(tái)只需要改驅(qū)動(dòng)配置應(yīng)用層一行不用動(dòng)。其次是系統(tǒng)級(jí)的資源管理中斷處理、環(huán)形緩沖區(qū)、任務(wù)調(diào)度這些事情驅(qū)動(dòng)層已經(jīng)處理好了應(yīng)用層介入過(guò)多反而容易引入競(jìng)態(tài)問(wèn)題。還有一點(diǎn)VxWorks的調(diào)試工具和可視化工具對(duì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的支持更友好用i命令可以快速查看設(shè)備列表排查問(wèn)題方便很多。當(dāng)然這也不是說(shuō)寄存器操作就一無(wú)是處比如在啟動(dòng)早期、驅(qū)動(dòng)還沒(méi)有加載完成的時(shí)候通過(guò)串口輸出啟動(dòng)日志確實(shí)需要直接在BSP層操作寄存器。但那屬于系統(tǒng)移植范疇和本文討論的應(yīng)用層通信不是一回事。應(yīng)用層開發(fā)老老實(shí)實(shí)走標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)框架才是投入產(chǎn)出比最高的選擇。2. 串口通信的關(guān)鍵API與參數(shù)配置詳解2.1 設(shè)備節(jié)點(diǎn)與open操作的正確理解在VxWorks里串口設(shè)備節(jié)點(diǎn)一般默認(rèn)叫/tyCo/0、/tyCo/1這樣對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的第0個(gè)、第1個(gè)串口。這里容易有個(gè)混淆點(diǎn)VxWorks控制臺(tái)串口console用的也是這個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)如果在目標(biāo)機(jī)上把控制臺(tái)重定向到了/tyCo/0那再打開/tyCo/0做數(shù)據(jù)通信就可能會(huì)和shell輸出打架。所以實(shí)際項(xiàng)目里有個(gè)約定俗成的做法調(diào)試串口和業(yè)務(wù)串口分開業(yè)務(wù)串口用/tyCo/1或更高編號(hào)。如果一定要用同一個(gè)串口就需要把控制臺(tái)重定向到其他設(shè)備比如網(wǎng)絡(luò)虛擬控制臺(tái)或者干脆關(guān)掉shell對(duì)串口的占用。代碼層面open操作很直觀int fd; fd open(/tyCo/1, O_RDWR | O_NOCTTY, 0); if (fd ERROR) { perror(open /tyCo/1 fail); return -1; }這里O_NOCTTY標(biāo)志在VxWorks里并非所有版本都強(qiáng)制需要但加上是良好習(xí)慣——防止該串口成為控制終端后受到shell信號(hào)干擾。我在一次實(shí)際調(diào)試中就遇到過(guò)不加O_NOCTTY程序跑一段時(shí)間后莫名其妙收到SIGINT終止排查半天才發(fā)現(xiàn)是控制終端信號(hào)問(wèn)題。2.2 串口參數(shù)配置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位open之后第一件事就是配置參數(shù)。VxWorks里最常用的是ioctl配合FIOBAUD設(shè)置波特率或者用tcsetattr配合termios結(jié)構(gòu)體做完整配置。后者更標(biāo)準(zhǔn)可配置項(xiàng)更多我建議統(tǒng)一用termios方式。一個(gè)完整配置的代碼片段如下#include termios.h struct termios tty; int baudrate B115200; memset(tty, 0, sizeof(tty)); if (tcgetattr(fd, tty) ! OK) { perror(tcgetattr fail); close(fd); return -1; } tty.c_cflag CLOCAL | CREAD | CS8; tty.c_cflag ~PARENB; // 無(wú)校驗(yàn) tty.c_cflag ~CSTOPB; // 1位停止位 tty.c_cflag ~CRTSCTS; // 禁用硬件流控 tty.c_iflag ~(IXON | IXOFF | IXANY); // 禁用軟件流控 tty.c_iflag ~(ICRNL | INLCR | IGNCR); // 不做回車換行轉(zhuǎn)換 tty.c_oflag ~OPOST; // 原始輸出模式不做換行轉(zhuǎn)換 tty.c_lflag ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG); // 原始輸入模式 cfsetispeed(tty, baudrate); cfsetospeed(tty, baudrate); tcsetattr(fd, TCSANOW, tty);這里特別強(qiáng)調(diào)一下c_lflag里的ICANON。很多新手在這塊翻車不關(guān)閉ICANONread會(huì)工作在線路緩沖模式必須等收到換行符才會(huì)返回導(dǎo)致明明設(shè)備發(fā)來(lái)了數(shù)據(jù)程序卻一直阻塞。我在Zynq平臺(tái)上調(diào)一個(gè)傳感器數(shù)據(jù)采集時(shí)就因?yàn)檫@個(gè)參數(shù)沒(méi)配置對(duì)浪費(fèi)了一整天。關(guān)閉ICANON后read就能立刻返回當(dāng)前緩沖區(qū)已有的數(shù)據(jù)。2.3 非阻塞模式與超時(shí)控制串口通信場(chǎng)景里阻塞式read一把梭能應(yīng)付簡(jiǎn)單需求但real-world里的設(shè)備往往不是有問(wèn)必答對(duì)端可能宕機(jī)、可能沒(méi)上電、可能協(xié)議交互有延遲。如果read無(wú)限期阻塞整個(gè)任務(wù)就卡死了。解決思路有兩種第一種是設(shè)置非阻塞模式。用fcntl或者VxWorks的ioctl(fd, FIONBIO, on)來(lái)開啟之后read會(huì)立即返回如果沒(méi)有數(shù)據(jù)就返回ERROR然后查errno去判斷是EAGAIN還是其他錯(cuò)誤。這種方式需要自己在循環(huán)里做輪詢或配合select使用。第二種是termios里的VTIME和VMIN組合。VMIN表示最少讀取字節(jié)數(shù)VTIME表示超時(shí)時(shí)間單位是0.1秒。比如設(shè)置tty.c_cc[VTIME] 10tty.c_cc[VMIN] 0read會(huì)在收到任何數(shù)據(jù)字節(jié)后等待1秒沒(méi)有新數(shù)據(jù)到來(lái)就返回實(shí)現(xiàn)讀完當(dāng)前數(shù)據(jù)就超時(shí)返回的效果。這在處理變長(zhǎng)幀、不定長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)非常好用。從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)看select加非阻塞是最穩(wěn)妥的方案尤其在多任務(wù)環(huán)境下既能保證及時(shí)響應(yīng)又不會(huì)忙等消耗CPU。VxWorks的select實(shí)現(xiàn)和POSIX標(biāo)準(zhǔn)兼容性很好代碼寫法和Linux下幾乎一致。3. 完整的串口通信示例程序3.1 程序功能設(shè)定和文件組織為了讓示例有實(shí)際參考價(jià)值我把它設(shè)計(jì)成這樣一個(gè)場(chǎng)景目標(biāo)板通過(guò)串口外接一個(gè)溫度傳感器模塊傳感器上電后每2秒主動(dòng)上報(bào)一幀數(shù)據(jù)幀格式是幀頭0xAA 0x55加1字節(jié)溫度值加1字節(jié)校驗(yàn)和。程序要做的是打開串口配置好參數(shù)循環(huán)接收數(shù)據(jù)幀解析出溫度值同時(shí)支持用戶通過(guò)控制臺(tái)輸入命令主動(dòng)發(fā)送查詢指令。整個(gè)程序分成三個(gè)文件uart_demo.h定義接口和常量uart_demo.c是核心實(shí)現(xiàn)uart_demo_main.c是入口任務(wù)代碼。這樣組織方便后續(xù)擴(kuò)展——如果要把接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)只需要在解析回調(diào)里加邏輯核心串口代碼不用動(dòng)。3.2 核心代碼實(shí)現(xiàn)先看頭文件/* uart_demo.h */ #ifndef __UART_DEMO_H__ #define __UART_DEMO_H__ #include vxWorks.h #include stdio.h #include stdlib.h #include string.h #include fcntl.h #include unistd.h #include errno.h #include termios.h #include ioLib.h #define UART_DEVICE /tyCo/1 #define UART_BAUDRATE B115200 #define FRAME_HEAD0 0xAA #define FRAME_HEAD1 0x55 typedef struct { char devName[32]; int baudrate; int isOpen; } UartConfig; int uart_open(const char *dev, int baudrate); int uart_config(int fd, int baudrate); int uart_send(int fd, const char *buf, int len); int uart_recv(int fd, char *buf, int maxLen, int timeoutMs); void uart_close(int fd); void uart_demo_task(void); #endif再是核心實(shí)現(xiàn)文件。這里重點(diǎn)展示打開、配置、發(fā)送和帶超時(shí)接收的邏輯/* uart_demo.c */ #include uart_demo.h int uart_open(const char *dev, int baudrate) { int fd; fd open(dev, O_RDWR | O_NOCTTY, 0); if (fd ERROR) { printf([UART] open %s failed, errno 0x%x\n, dev, errno); return ERROR; } if (uart_config(fd, baudrate) ! OK) { printf([UART] config %s failed\n, dev); close(fd); return ERROR; } printf([UART] open and config %s success\n, dev); return fd; } int uart_config(int fd, int baudrate) { struct termios tty; int speed; switch (baudrate) { case 9600: speed B9600; break; case 19200: speed B19200; break; case 38400: speed B38400; break; case 115200: speed B115200; break; default: speed B115200; break; } memset(tty, 0, sizeof(tty)); if (tcgetattr(fd, tty) ! OK) { return ERROR; } tty.c_cflag CLOCAL | CREAD | CS8; tty.c_cflag ~PARENB; tty.c_cflag ~CSTOPB; tty.c_cflag ~CRTSCTS; tty.c_iflag ~(IXON | IXOFF | IXANY); tty.c_iflag ~(ICRNL | INLCR | IGNCR); tty.c_oflag ~OPOST; tty.c_lflag ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG); tty.c_cc[VMIN] 0; tty.c_cc[VTIME] 1; cfsetispeed(tty, speed); cfsetospeed(tty, speed); if (tcsetattr(fd, TCSANOW, tty) ! OK) { return ERROR; } tcflush(fd, TCIOFLUSH); return OK; } int uart_send(int fd, const char *buf, int len) { int written 0; int ret; while (written len) { ret write(fd, buf written, len - written); if (ret ERROR) { printf([UART] write error, errno 0x%x\n, errno); return ERROR; } written ret; } return written; } int uart_recv(int fd, char *buf, int maxLen, int timeoutMs) { fd_set rfds; struct timeval tv; int ret; FD_ZERO(rfds); FD_SET(fd, rfds); tv.tv_sec timeoutMs / 1000; tv.tv_usec (timeoutMs % 1000) * 1000; ret select(fd 1, rfds, NULL, NULL, tv); if (ret ERROR) { printf([UART] select error, errno 0x%x\n, errno); return ERROR; } if (ret 0) { return 0; // 超時(shí)無(wú)數(shù)據(jù) } ret read(fd, buf, maxLen); return ret; }我在uart_recv里用了select加非阻塞思維的超時(shí)控制而不是直接依賴VTIME/VMIN。原因是這樣更靈活VTIME的最小粒度是0.1秒如果調(diào)用方想設(shè)置50ms超時(shí)termios方式就做不到。而select的時(shí)間粒度更細(xì)配合循環(huán)還能實(shí)現(xiàn)每次最多等N毫秒這種更復(fù)雜的邏輯。代碼中uart_send做了寫滿才算完的處理這也是實(shí)際項(xiàng)目中容易忽略的。寫串口不一定一次write就能把整個(gè)緩沖區(qū)寫出去尤其底層緩沖區(qū)剩余空間不足時(shí)write會(huì)返回部分寫入字節(jié)數(shù)。不做循環(huán)處理的話發(fā)送長(zhǎng)幀可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)截?cái)唷?.3 應(yīng)用入口任務(wù)和數(shù)據(jù)幀解析看入口任務(wù)怎么組織/* uart_demo_main.c */ #include uart_demo.h #define RECV_BUF_LEN 256 void uart_demo_task(void) { int fd; char recvBuf[RECV_BUF_LEN]; int recvLen; int i; char tempRaw; char checksum; char sum; float temperature; char cmd[16]; fd uart_open(UART_DEVICE, UART_BAUDRATE); if (fd ERROR) { return; } while (1) { recvLen uart_recv(fd, recvBuf, RECV_BUF_LEN, 1000); if (recvLen 0) { /* 簡(jiǎn)單幀解析找?guī)^0xAA 0x55 */ if (recvLen 4) { for (i 0; i recvLen - 3; i) { if ((unsigned char)recvBuf[i] FRAME_HEAD0 (unsigned char)recvBuf[i1] FRAME_HEAD1) { tempRaw recvBuf[i2]; checksum recvBuf[i3]; sum (char)(FRAME_HEAD0 FRAME_HEAD1 tempRaw); if (sum checksum) { temperature (float)tempRaw; printf([UART] temperature report: %.1f C\n, temperature); } else { printf([UART] checksum error\n); } break; } } } } /* 檢測(cè)控制臺(tái)是否有輸入支持發(fā)送查詢指令 */ if (fgets(cmd, sizeof(cmd), stdin) ! NULL) { cmd[strcspn(cmd, \n)] \0; if (strlen(cmd) 0) { uart_send(fd, cmd, strlen(cmd)); } } taskDelay(10); } uart_close(fd); }入口任務(wù)做了三件事接收數(shù)據(jù)、解析幀、檢查控制臺(tái)輸入并發(fā)送指令。需要注意fgets在VxWorks的shell環(huán)境下讀的是標(biāo)準(zhǔn)輸入這里在循環(huán)里調(diào)用如果shell沒(méi)有給這個(gè)任務(wù)分配標(biāo)準(zhǔn)輸入fgets會(huì)阻塞。實(shí)際調(diào)試中更常見(jiàn)的做法是把指令下發(fā)做成單獨(dú)的命令函數(shù)在shell里直接敲命令觸發(fā)發(fā)送。幀解析上這個(gè)示例用了最樸素的遍歷查找?guī)^方式。真實(shí)項(xiàng)目里如果數(shù)據(jù)量很大、波特率很高這種逐字節(jié)遍歷的方式可能有性能問(wèn)題更好的做法是維護(hù)一個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)或者狀態(tài)機(jī)逐字節(jié)解析。但作為示例思路表達(dá)清楚就行了——核心是想說(shuō)明收到的是字節(jié)流不是完整幀一定要自己做幀邊界識(shí)別和校驗(yàn)。4. 常見(jiàn)問(wèn)題與排查技巧實(shí)錄4.1 read一直阻塞不返回怎么辦這應(yīng)該是VxWorks串口開發(fā)里最高頻的問(wèn)題。前面在配置部分其實(shí)已經(jīng)埋了伏筆絕大多數(shù)情況是termios里c_lflag沒(méi)有關(guān)閉ICANON。最佳排除順序是先用tcgetattr把當(dāng)前配置打出來(lái)確認(rèn)ICANON、ECHO這些位的狀態(tài)再確認(rèn)是否設(shè)置了VTIME/VMIN如果兩個(gè)參數(shù)都是0非阻塞模式下read會(huì)立即返回而阻塞模式下則永遠(yuǎn)等待最后確認(rèn)是不是底層驅(qū)動(dòng)本身的配置有問(wèn)題這種一般發(fā)生在自己修改過(guò)BSP串口驅(qū)動(dòng)的情況下。我曾經(jīng)在一個(gè)項(xiàng)目里遇到非常隱蔽的情況板子上電后串口工作正常但只要運(yùn)行過(guò)一段網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的初始化代碼串口read就再也不返回了。后來(lái)排查發(fā)現(xiàn)是網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)修改了全局中斷優(yōu)先級(jí)和CPU中斷使能狀態(tài)影響了串口接收中斷。這類問(wèn)題已經(jīng)超出應(yīng)用層范圍只能通過(guò)查看中斷狀態(tài)寄存器定位。但這也提醒我們遇到詭異現(xiàn)象時(shí)不要只盯著應(yīng)用層代碼多想想周圍環(huán)境的變化。4.2 數(shù)據(jù)接收內(nèi)容是亂碼亂碼問(wèn)題一般集中在波特率、電平、數(shù)據(jù)格式三個(gè)層面。先排除波特率不匹配這是最常見(jiàn)的原因比如傳感器默認(rèn)9600而程序配了115200。其次是線路電平問(wèn)題RS232和TTL電平不能直接對(duì)接中間要有電平轉(zhuǎn)換芯片工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)還要考慮地線是否共地。最后是數(shù)據(jù)格式比如設(shè)備是8位數(shù)據(jù)位1位停止位程序配置成了7位數(shù)據(jù)位接收自然錯(cuò)亂。有一個(gè)實(shí)用排查技巧把示波器接到TX/RX線上直接看波形。從起始位和停止位的寬度能夠反推實(shí)際波特率用1個(gè)數(shù)據(jù)位的寬度算一下這樣就能確定是配置問(wèn)題還是硬件問(wèn)題不用猜。我在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)經(jīng)常用這個(gè)辦法區(qū)分程序沒(méi)配對(duì)和線接錯(cuò)了往往就在一瞬間。4.3 串口發(fā)送出去了但對(duì)端沒(méi)反應(yīng)先確認(rèn)數(shù)據(jù)真的從引腳上發(fā)出去了示波器一量就能驗(yàn)證。如果量不到信號(hào)說(shuō)明程序可能根本沒(méi)執(zhí)行到write或者設(shè)備文件打開失敗。如果量到了波形但對(duì)端沒(méi)反應(yīng)重點(diǎn)查對(duì)端設(shè)備的手冊(cè)確認(rèn)它的通信方式——有的設(shè)備是先聽后說(shuō)必須收到特定指令才上報(bào)數(shù)據(jù)有的設(shè)備是純主動(dòng)上報(bào)不需要任何指令還有的設(shè)備用的是RS485需要控制方向引腳單純發(fā)數(shù)據(jù)不夠還得把收發(fā)方向切換成發(fā)送模式這個(gè)在很多串口轉(zhuǎn)RS485的硬件上是個(gè)隱蔽的坑。VxWorks下還有一種特殊情況如果串口被系統(tǒng)控制臺(tái)占用了應(yīng)用層可以正常write但數(shù)據(jù)可能被控制臺(tái)相關(guān)的處理邏輯干擾。比如你printf輸出調(diào)試信息也走這個(gè)串口那應(yīng)用數(shù)據(jù)和控制臺(tái)輸出就混在一起了。這就是我在前文強(qiáng)調(diào)為什么業(yè)務(wù)串口要和調(diào)試串口分開的原因。4.4 高頻收發(fā)時(shí)丟數(shù)據(jù)高頻收發(fā)場(chǎng)景下丟數(shù)據(jù)通常是接收緩沖區(qū)溢出或者中斷響應(yīng)不及時(shí)。VxWorks的串口驅(qū)動(dòng)內(nèi)部有緩沖區(qū)但如果應(yīng)用層讀取不夠頻繁、處理耗時(shí)太長(zhǎng)數(shù)據(jù)就會(huì)在驅(qū)動(dòng)緩沖區(qū)里堆積溢出。關(guān)鍵在于調(diào)整調(diào)度策略讓接收任務(wù)有足夠的優(yōu)先級(jí)縮短從中斷產(chǎn)生到應(yīng)用層read之間的時(shí)間。還有一個(gè)容易忽視的點(diǎn)應(yīng)用層處理完一幀數(shù)據(jù)后最好不要在任務(wù)上下文里做大量計(jì)算和打印操作打印耗時(shí)會(huì)拉低整體接收吞吐正確做法是先把數(shù)據(jù)拷貝到自己的接收隊(duì)列交給低優(yōu)先級(jí)任務(wù)慢慢處理接收任務(wù)繼續(xù)保持高速。我在Zynq平臺(tái)上遇到過(guò)莫名其妙丟開頭幾個(gè)字節(jié)的情況后來(lái)發(fā)現(xiàn)是DMA配置問(wèn)題——DMA接收模式和串口中斷模式配合不良。如果程序需要高可靠性收發(fā)建議認(rèn)真閱讀芯片的UART控制器手冊(cè)確認(rèn)DMA描述符長(zhǎng)度和中斷觸發(fā)閾值設(shè)置合理。4.5 常見(jiàn)問(wèn)題速查表為了方便以后排查我把自己遇到過(guò)的典型問(wèn)題整理成一張速查表基本覆蓋了串口開發(fā)90%的坑現(xiàn)象可能原因排查方法read一直阻塞未關(guān)閉ICANONVTIME/VMIN配置不對(duì)tcgetattr打印配置檢查c_lflag數(shù)據(jù)亂碼波特率不匹配電平不對(duì)數(shù)據(jù)位格式錯(cuò)誤示波器量波形核對(duì)設(shè)備手冊(cè)發(fā)送無(wú)反應(yīng)設(shè)備文件打開失敗RS485方向未控制對(duì)端需指令觸發(fā)示波器確認(rèn)輸出檢查ioctl方向控制高頻收發(fā)丟數(shù)據(jù)緩沖區(qū)溢出任務(wù)調(diào)度不及時(shí)打印耗時(shí)太長(zhǎng)提高接收任務(wù)優(yōu)先級(jí)減少打印開銷打開設(shè)備失敗設(shè)備節(jié)點(diǎn)不存在驅(qū)動(dòng)未加載設(shè)備被占用i命令查看設(shè)備列表檢查BSP配置打印和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)混在一起控制臺(tái)復(fù)用同一串口shell重定向控制臺(tái)換成獨(dú)立業(yè)務(wù)串口偶發(fā)幀校驗(yàn)錯(cuò)誤線路干擾地電位差波特率微小偏差加屏蔽線共地處理降低波特率驗(yàn)證5. 進(jìn)階實(shí)踐與部署建議5.1 如何把示例程序部署到VxWorks鏡像里示例代碼寫好后很多人卡在怎么把它編譯進(jìn)VxWorks工程。這里補(bǔ)充一個(gè)最小操作路徑在VxWorks Workbench里創(chuàng)建或者打開一個(gè)bootable工程把三個(gè)源文件加進(jìn)工程源碼目錄然后通過(guò)Workbench的構(gòu)建配置把源文件編譯進(jìn)vxWorks鏡像的usrAppInit或自定義啟動(dòng)任務(wù)里。具體路徑不同版本略有差異但思路一樣——把uart_demo_task掛到系統(tǒng)啟動(dòng)任務(wù)序列中。如果是VxWorks 7底層是基于Yocto的VSBVxWorks Source Build和VIPVxWorks Image Project兩層構(gòu)建方式。VSB里需要確保包含了串口驅(qū)動(dòng)組件比如IPNET_UART或DRV_SIO這類組件不同BSP的名字可能不同。確認(rèn)方法是在VSB配置界面里搜16550或uart關(guān)鍵字。IP組件配置不對(duì)是最常見(jiàn)的啟動(dòng)后串口無(wú)輸出的原因之一。5.2 與Zynq平臺(tái)相關(guān)的特殊性熱詞里出現(xiàn)了不少vxworks移植到正點(diǎn)原子zynq 7100之類的內(nèi)容。Zynq系列是Xilinx現(xiàn)在是AMD的異構(gòu)SoC內(nèi)部是ARM Cortex-A9雙核加FPGA架構(gòu)。VxWorks跑在ARM核上串口硬核用的是Zynq的UART控制器在VxWorks的BSP里已經(jīng)有對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)支持。實(shí)際上手時(shí)有一點(diǎn)和純粹ARM平臺(tái)不同——Zynq的UART時(shí)鐘由PS側(cè)的時(shí)鐘配置決定如果FSBL或者引導(dǎo)程序里設(shè)置的UART時(shí)鐘和VxWorks BSP編譯時(shí)的默認(rèn)時(shí)鐘不一致就會(huì)出現(xiàn)波特率偏移。有次我們的板子串口輸出全是亂碼查了很久最后發(fā)現(xiàn)是FSBL里改了UART時(shí)鐘頻率VxWorks BSP里卻是按另一個(gè)頻率計(jì)算的。這類問(wèn)題的排查方法也很直接量波形確認(rèn)實(shí)際波特率然后去改BSP里的時(shí)鐘宏定義重新編譯VSB。5.3 多任務(wù)環(huán)境下串口使用的設(shè)計(jì)模式VxWorks的多任務(wù)環(huán)境是它的核心優(yōu)勢(shì)但也是串口程序設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。如果多個(gè)任務(wù)同時(shí)對(duì)一個(gè)串口做read/write沒(méi)有協(xié)調(diào)機(jī)制的話會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的資源競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。我常用的設(shè)計(jì)模式是單讀寫任務(wù)消息隊(duì)列分發(fā)一個(gè)專門的串口接收任務(wù)負(fù)責(zé)read和解析解析出來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)消息隊(duì)列發(fā)給各個(gè)業(yè)務(wù)任務(wù)發(fā)送方向則是所有任務(wù)都把要發(fā)的數(shù)據(jù)放入發(fā)送隊(duì)列由串口發(fā)送任務(wù)統(tǒng)一write。這樣做的好處是串口只有一個(gè)任務(wù)在操作天然避免了競(jìng)態(tài)而且接收任務(wù)優(yōu)先級(jí)可以設(shè)得較高保證不丟數(shù)據(jù)的同時(shí)其他任務(wù)不會(huì)被長(zhǎng)時(shí)間打斷。如果系統(tǒng)里有強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求可以在接收任務(wù)里直接做信號(hào)量同步中斷服務(wù)程序收到一幀數(shù)據(jù)就釋放信號(hào)量接收任務(wù)立刻被喚醒去處理。這種中斷信號(hào)量任務(wù)的組合拳是VxWorks下比較高效的模式比裸輪詢省電比純中斷上下文處理安全中斷上下文里不允許調(diào)用printf這類非中斷安全的操作。5.4 收尾經(jīng)驗(yàn)上值得留意的幾點(diǎn)最后補(bǔ)充幾個(gè)我實(shí)際項(xiàng)目中沉淀下來(lái)的小習(xí)慣雖然不能保證每個(gè)項(xiàng)目都適用但多數(shù)情況下能幫你少走彎路第一收到數(shù)據(jù)先存后解析不要把解析邏輯直接寫在read返回后的處理里尤其是涉及浮點(diǎn)運(yùn)算、打印格式化這些耗時(shí)操作時(shí)盡量和接收路徑解耦。第二串口配置做完后一定要調(diào)用tcflush清空緩沖區(qū)否則上電殘留的臟數(shù)據(jù)會(huì)影響第一幀的解析。第三程序的異常分支一定要打印errnoVxWorks的errno能直接反映底層錯(cuò)誤類型比返回-1這種信息有價(jià)值得多。第四多留調(diào)試接口比如通過(guò)shell命令動(dòng)態(tài)修改波特率、打開或關(guān)閉幀解析的時(shí)間統(tǒng)計(jì)這些看似多余的功能在現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題上能省下大量時(shí)間。我始終覺(jué)得串口通信在嵌入式開發(fā)里不算高深技術(shù)但恰恰是這種基礎(chǔ)模塊最考驗(yàn)工程師對(duì)系統(tǒng)的整體把握能力。一個(gè)小小串口牽扯到BSP、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、中斷機(jī)制、任務(wù)調(diào)度、應(yīng)用層邏輯每一層都可能出問(wèn)題。把這份示例程序跑通只是第一步更重要的是理解每一層之間的關(guān)系這樣就算以后遇到復(fù)雜問(wèn)題也能順著這條技術(shù)鏈路一步步定位到根因。希望這篇內(nèi)容對(duì)正打算在VxWorks上做串口開發(fā)的你有所幫助。本文還有配套的精品資源點(diǎn)擊獲取 VxWorks串口通信實(shí)戰(zhàn)：從termios配置到Zynq平臺(tái)部署
簡(jiǎn)介VxWorks廣泛部署于航空航天、通信、工業(yè)自動(dòng)化等實(shí)時(shí)性要求極高的場(chǎng)景串口通信則是設(shè)備交互與調(diào)試環(huán)節(jié)中最常用也最基礎(chǔ)的手段之一。這份示例程序以TestUart項(xiàng)目為載體面向嵌入式初學(xué)者與工程開發(fā)人員重點(diǎn)演示VxWorks標(biāo)準(zhǔn)串口驅(qū)動(dòng)API的完整調(diào)用流程包括端口打開、波特率及數(shù)據(jù)位/校驗(yàn)位/停止位配置、數(shù)據(jù)收發(fā)、中斷服務(wù)注冊(cè)、任務(wù)同步與異常返回處理等關(guān)鍵分支。壓縮包共25個(gè)文件整體僅26KB以main.c、usart.c等C源碼為核心同時(shí)附有Tornado環(huán)境下的.mcp工程文件、.map鏈接映射、.hex燒寫文件以及.lst、.sym等調(diào)試文件便于從源碼到運(yùn)行鏡像逐層對(duì)照。目前該資源已有762人學(xué)習(xí)使用。通過(guò)研讀并調(diào)試這些代碼讀者能掌握serialOpen、serialWrite、serialRead等接口的實(shí)際用法理解VxWorks串口驅(qū)動(dòng)在中斷與多線程環(huán)境中的配合要點(diǎn)進(jìn)而快速移植到自己的硬件平臺(tái)或應(yīng)用項(xiàng)目中提升嵌入式系統(tǒng)開發(fā)效率。1. 項(xiàng)目概述與核心思路拆解1.1 這個(gè)示例到底解決什么問(wèn)題搞過(guò)嵌入式開發(fā)的朋友都清楚VxWorks作為一款硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在航空、航天、工業(yè)控制、高端裝備這些領(lǐng)域里依然是難以替代的存在。而串口通信恰恰是嵌入式系統(tǒng)里最基礎(chǔ)、最常用的調(diào)試和數(shù)據(jù)交互手段——小到啟動(dòng)時(shí)的控制臺(tái)輸出大到設(shè)備間的指令下發(fā)、狀態(tài)回傳串口幾乎貫穿整個(gè)產(chǎn)品生命周期。我接觸VxWorks有幾年時(shí)間從最開始在模擬器上跑通一個(gè)Hello World到后來(lái)在真實(shí)板卡上調(diào)試驅(qū)動(dòng)踩過(guò)的坑不少。其中串口通信這塊網(wǎng)上資料不算少但大多停留在調(diào)用open/read/write這種API層面的簡(jiǎn)單示范真正涉及VxWorks特有的設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架、串口參數(shù)配置細(xì)節(jié)、以及多任務(wù)環(huán)境下串口使用的注意事項(xiàng)講清楚的并不多。這篇博文就基于一個(gè)實(shí)際可運(yùn)行的VxWorks串口通信示例程序展開核心目標(biāo)有三個(gè)第一講清楚VxWorks下串口設(shè)備從打開、配置到讀寫關(guān)閉的完整流程第二把容易踩坑的細(xì)節(jié)和背后的原理說(shuō)透比如波特率配置為什么有的板子不生效、中斷模式下read返回時(shí)機(jī)怎么控制第三給出一份能直接編譯運(yùn)行的參考代碼讓初學(xué)者能快速搭建起自己的串口通信測(cè)試環(huán)境。1.2 為什么選擇標(biāo)準(zhǔn)串口驅(qū)動(dòng)框架而不是直接操作寄存器有個(gè)常見(jiàn)誤區(qū)很多從裸機(jī)開發(fā)轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)的工程師習(xí)慣直接讀寄存器。在VxWorks上這么做短期看好像效率很高實(shí)際上代價(jià)很大。VxWorks的設(shè)備驅(qū)動(dòng)架構(gòu)里串口被抽象成了標(biāo)準(zhǔn)的tty設(shè)備通過(guò)tyCoDrv、uart驅(qū)動(dòng)層和具體芯片驅(qū)動(dòng)三層結(jié)構(gòu)來(lái)管理。應(yīng)用層只需要用open/read/write/ioctl這套POSIX接口操作設(shè)備文件即可完全不用關(guān)心底層是16550還是Zynq上的UART控制器。選擇這套標(biāo)準(zhǔn)框架的好處很明顯。首先是可移植性同一份應(yīng)用層代碼從x86平臺(tái)換到ARM平臺(tái)只需要改驅(qū)動(dòng)配置應(yīng)用層一行不用動(dòng)。其次是系統(tǒng)級(jí)的資源管理中斷處理、環(huán)形緩沖區(qū)、任務(wù)調(diào)度這些事情驅(qū)動(dòng)層已經(jīng)處理好了應(yīng)用層介入過(guò)多反而容易引入競(jìng)態(tài)問(wèn)題。還有一點(diǎn)VxWorks的調(diào)試工具和可視化工具對(duì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的支持更友好用i命令可以快速查看設(shè)備列表排查問(wèn)題方便很多。當(dāng)然這也不是說(shuō)寄存器操作就一無(wú)是處比如在啟動(dòng)早期、驅(qū)動(dòng)還沒(méi)有加載完成的時(shí)候通過(guò)串口輸出啟動(dòng)日志確實(shí)需要直接在BSP層操作寄存器。但那屬于系統(tǒng)移植范疇和本文討論的應(yīng)用層通信不是一回事。應(yīng)用層開發(fā)老老實(shí)實(shí)走標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)框架才是投入產(chǎn)出比最高的選擇。2. 串口通信的關(guān)鍵API與參數(shù)配置詳解2.1 設(shè)備節(jié)點(diǎn)與open操作的正確理解在VxWorks里串口設(shè)備節(jié)點(diǎn)一般默認(rèn)叫/tyCo/0、/tyCo/1這樣對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的第0個(gè)、第1個(gè)串口。這里容易有個(gè)混淆點(diǎn)VxWorks控制臺(tái)串口console用的也是這個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)如果在目標(biāo)機(jī)上把控制臺(tái)重定向到了/tyCo/0那再打開/tyCo/0做數(shù)據(jù)通信就可能會(huì)和shell輸出打架。所以實(shí)際項(xiàng)目里有個(gè)約定俗成的做法調(diào)試串口和業(yè)務(wù)串口分開業(yè)務(wù)串口用/tyCo/1或更高編號(hào)。如果一定要用同一個(gè)串口就需要把控制臺(tái)重定向到其他設(shè)備比如網(wǎng)絡(luò)虛擬控制臺(tái)或者干脆關(guān)掉shell對(duì)串口的占用。代碼層面open操作很直觀int fd; fd open(/tyCo/1, O_RDWR | O_NOCTTY, 0); if (fd ERROR) { perror(open /tyCo/1 fail); return -1; }這里O_NOCTTY標(biāo)志在VxWorks里并非所有版本都強(qiáng)制需要但加上是良好習(xí)慣——防止該串口成為控制終端后受到shell信號(hào)干擾。我在一次實(shí)際調(diào)試中就遇到過(guò)不加O_NOCTTY程序跑一段時(shí)間后莫名其妙收到SIGINT終止排查半天才發(fā)現(xiàn)是控制終端信號(hào)問(wèn)題。2.2 串口參數(shù)配置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位open之后第一件事就是配置參數(shù)。VxWorks里最常用的是ioctl配合FIOBAUD設(shè)置波特率或者用tcsetattr配合termios結(jié)構(gòu)體做完整配置。后者更標(biāo)準(zhǔn)可配置項(xiàng)更多我建議統(tǒng)一用termios方式。一個(gè)完整配置的代碼片段如下#include termios.h struct termios tty; int baudrate B115200; memset(tty, 0, sizeof(tty)); if (tcgetattr(fd, tty) ! OK) { perror(tcgetattr fail); close(fd); return -1; } tty.c_cflag CLOCAL | CREAD | CS8; tty.c_cflag ~PARENB; // 無(wú)校驗(yàn) tty.c_cflag ~CSTOPB; // 1位停止位 tty.c_cflag ~CRTSCTS; // 禁用硬件流控 tty.c_iflag ~(IXON | IXOFF | IXANY); // 禁用軟件流控 tty.c_iflag ~(ICRNL | INLCR | IGNCR); // 不做回車換行轉(zhuǎn)換 tty.c_oflag ~OPOST; // 原始輸出模式不做換行轉(zhuǎn)換 tty.c_lflag ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG); // 原始輸入模式 cfsetispeed(tty, baudrate); cfsetospeed(tty, baudrate); tcsetattr(fd, TCSANOW, tty);這里特別強(qiáng)調(diào)一下c_lflag里的ICANON。很多新手在這塊翻車不關(guān)閉ICANONread會(huì)工作在線路緩沖模式必須等收到換行符才會(huì)返回導(dǎo)致明明設(shè)備發(fā)來(lái)了數(shù)據(jù)程序卻一直阻塞。我在Zynq平臺(tái)上調(diào)一個(gè)傳感器數(shù)據(jù)采集時(shí)就因?yàn)檫@個(gè)參數(shù)沒(méi)配置對(duì)浪費(fèi)了一整天。關(guān)閉ICANON后read就能立刻返回當(dāng)前緩沖區(qū)已有的數(shù)據(jù)。2.3 非阻塞模式與超時(shí)控制串口通信場(chǎng)景里阻塞式read一把梭能應(yīng)付簡(jiǎn)單需求但real-world里的設(shè)備往往不是有問(wèn)必答對(duì)端可能宕機(jī)、可能沒(méi)上電、可能協(xié)議交互有延遲。如果read無(wú)限期阻塞整個(gè)任務(wù)就卡死了。解決思路有兩種第一種是設(shè)置非阻塞模式。用fcntl或者VxWorks的ioctl(fd, FIONBIO, on)來(lái)開啟之后read會(huì)立即返回如果沒(méi)有數(shù)據(jù)就返回ERROR然后查errno去判斷是EAGAIN還是其他錯(cuò)誤。這種方式需要自己在循環(huán)里做輪詢或配合select使用。第二種是termios里的VTIME和VMIN組合。VMIN表示最少讀取字節(jié)數(shù)VTIME表示超時(shí)時(shí)間單位是0.1秒。比如設(shè)置tty.c_cc[VTIME] 10tty.c_cc[VMIN] 0read會(huì)在收到任何數(shù)據(jù)字節(jié)后等待1秒沒(méi)有新數(shù)據(jù)到來(lái)就返回實(shí)現(xiàn)讀完當(dāng)前數(shù)據(jù)就超時(shí)返回的效果。這在處理變長(zhǎng)幀、不定長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)非常好用。從實(shí)際經(jīng)驗(yàn)看select加非阻塞是最穩(wěn)妥的方案尤其在多任務(wù)環(huán)境下既能保證及時(shí)響應(yīng)又不會(huì)忙等消耗CPU。VxWorks的select實(shí)現(xiàn)和POSIX標(biāo)準(zhǔn)兼容性很好代碼寫法和Linux下幾乎一致。3. 完整的串口通信示例程序3.1 程序功能設(shè)定和文件組織為了讓示例有實(shí)際參考價(jià)值我把它設(shè)計(jì)成這樣一個(gè)場(chǎng)景目標(biāo)板通過(guò)串口外接一個(gè)溫度傳感器模塊傳感器上電后每2秒主動(dòng)上報(bào)一幀數(shù)據(jù)幀格式是幀頭0xAA 0x55加1字節(jié)溫度值加1字節(jié)校驗(yàn)和。程序要做的是打開串口配置好參數(shù)循環(huán)接收數(shù)據(jù)幀解析出溫度值同時(shí)支持用戶通過(guò)控制臺(tái)輸入命令主動(dòng)發(fā)送查詢指令。整個(gè)程序分成三個(gè)文件uart_demo.h定義接口和常量uart_demo.c是核心實(shí)現(xiàn)uart_demo_main.c是入口任務(wù)代碼。這樣組織方便后續(xù)擴(kuò)展——如果要把接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)只需要在解析回調(diào)里加邏輯核心串口代碼不用動(dòng)。3.2 核心代碼實(shí)現(xiàn)先看頭文件/* uart_demo.h */ #ifndef __UART_DEMO_H__ #define __UART_DEMO_H__ #include vxWorks.h #include stdio.h #include stdlib.h #include string.h #include fcntl.h #include unistd.h #include errno.h #include termios.h #include ioLib.h #define UART_DEVICE /tyCo/1 #define UART_BAUDRATE B115200 #define FRAME_HEAD0 0xAA #define FRAME_HEAD1 0x55 typedef struct { char devName[32]; int baudrate; int isOpen; } UartConfig; int uart_open(const char *dev, int baudrate); int uart_config(int fd, int baudrate); int uart_send(int fd, const char *buf, int len); int uart_recv(int fd, char *buf, int maxLen, int timeoutMs); void uart_close(int fd); void uart_demo_task(void); #endif再是核心實(shí)現(xiàn)文件。這里重點(diǎn)展示打開、配置、發(fā)送和帶超時(shí)接收的邏輯/* uart_demo.c */ #include uart_demo.h int uart_open(const char *dev, int baudrate) { int fd; fd open(dev, O_RDWR | O_NOCTTY, 0); if (fd ERROR) { printf([UART] open %s failed, errno 0x%x\n, dev, errno); return ERROR; } if (uart_config(fd, baudrate) ! OK) { printf([UART] config %s failed\n, dev); close(fd); return ERROR; } printf([UART] open and config %s success\n, dev); return fd; } int uart_config(int fd, int baudrate) { struct termios tty; int speed; switch (baudrate) { case 9600: speed B9600; break; case 19200: speed B19200; break; case 38400: speed B38400; break; case 115200: speed B115200; break; default: speed B115200; break; } memset(tty, 0, sizeof(tty)); if (tcgetattr(fd, tty) ! OK) { return ERROR; } tty.c_cflag CLOCAL | CREAD | CS8; tty.c_cflag ~PARENB; tty.c_cflag ~CSTOPB; tty.c_cflag ~CRTSCTS; tty.c_iflag ~(IXON | IXOFF | IXANY); tty.c_iflag ~(ICRNL | INLCR | IGNCR); tty.c_oflag ~OPOST; tty.c_lflag ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG); tty.c_cc[VMIN] 0; tty.c_cc[VTIME] 1; cfsetispeed(tty, speed); cfsetospeed(tty, speed); if (tcsetattr(fd, TCSANOW, tty) ! OK) { return ERROR; } tcflush(fd, TCIOFLUSH); return OK; } int uart_send(int fd, const char *buf, int len) { int written 0; int ret; while (written len) { ret write(fd, buf written, len - written); if (ret ERROR) { printf([UART] write error, errno 0x%x\n, errno); return ERROR; } written ret; } return written; } int uart_recv(int fd, char *buf, int maxLen, int timeoutMs) { fd_set rfds; struct timeval tv; int ret; FD_ZERO(rfds); FD_SET(fd, rfds); tv.tv_sec timeoutMs / 1000; tv.tv_usec (timeoutMs % 1000) * 1000; ret select(fd 1, rfds, NULL, NULL, tv); if (ret ERROR) { printf([UART] select error, errno 0x%x\n, errno); return ERROR; } if (ret 0) { return 0; // 超時(shí)無(wú)數(shù)據(jù) } ret read(fd, buf, maxLen); return ret; }我在uart_recv里用了select加非阻塞思維的超時(shí)控制而不是直接依賴VTIME/VMIN。原因是這樣更靈活VTIME的最小粒度是0.1秒如果調(diào)用方想設(shè)置50ms超時(shí)termios方式就做不到。而select的時(shí)間粒度更細(xì)配合循環(huán)還能實(shí)現(xiàn)每次最多等N毫秒這種更復(fù)雜的邏輯。代碼中uart_send做了寫滿才算完的處理這也是實(shí)際項(xiàng)目中容易忽略的。寫串口不一定一次write就能把整個(gè)緩沖區(qū)寫出去尤其底層緩沖區(qū)剩余空間不足時(shí)write會(huì)返回部分寫入字節(jié)數(shù)。不做循環(huán)處理的話發(fā)送長(zhǎng)幀可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)截?cái)唷?.3 應(yīng)用入口任務(wù)和數(shù)據(jù)幀解析看入口任務(wù)怎么組織/* uart_demo_main.c */ #include uart_demo.h #define RECV_BUF_LEN 256 void uart_demo_task(void) { int fd; char recvBuf[RECV_BUF_LEN]; int recvLen; int i; char tempRaw; char checksum; char sum; float temperature; char cmd[16]; fd uart_open(UART_DEVICE, UART_BAUDRATE); if (fd ERROR) { return; } while (1) { recvLen uart_recv(fd, recvBuf, RECV_BUF_LEN, 1000); if (recvLen 0) { /* 簡(jiǎn)單幀解析找?guī)^0xAA 0x55 */ if (recvLen 4) { for (i 0; i recvLen - 3; i) { if ((unsigned char)recvBuf[i] FRAME_HEAD0 (unsigned char)recvBuf[i1] FRAME_HEAD1) { tempRaw recvBuf[i2]; checksum recvBuf[i3]; sum (char)(FRAME_HEAD0 FRAME_HEAD1 tempRaw); if (sum checksum) { temperature (float)tempRaw; printf([UART] temperature report: %.1f C\n, temperature); } else { printf([UART] checksum error\n); } break; } } } } /* 檢測(cè)控制臺(tái)是否有輸入支持發(fā)送查詢指令 */ if (fgets(cmd, sizeof(cmd), stdin) ! NULL) { cmd[strcspn(cmd, \n)] \0; if (strlen(cmd) 0) { uart_send(fd, cmd, strlen(cmd)); } } taskDelay(10); } uart_close(fd); }入口任務(wù)做了三件事接收數(shù)據(jù)、解析幀、檢查控制臺(tái)輸入并發(fā)送指令。需要注意fgets在VxWorks的shell環(huán)境下讀的是標(biāo)準(zhǔn)輸入這里在循環(huán)里調(diào)用如果shell沒(méi)有給這個(gè)任務(wù)分配標(biāo)準(zhǔn)輸入fgets會(huì)阻塞。實(shí)際調(diào)試中更常見(jiàn)的做法是把指令下發(fā)做成單獨(dú)的命令函數(shù)在shell里直接敲命令觸發(fā)發(fā)送。幀解析上這個(gè)示例用了最樸素的遍歷查找?guī)^方式。真實(shí)項(xiàng)目里如果數(shù)據(jù)量很大、波特率很高這種逐字節(jié)遍歷的方式可能有性能問(wèn)題更好的做法是維護(hù)一個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)或者狀態(tài)機(jī)逐字節(jié)解析。但作為示例思路表達(dá)清楚就行了——核心是想說(shuō)明收到的是字節(jié)流不是完整幀一定要自己做幀邊界識(shí)別和校驗(yàn)。4. 常見(jiàn)問(wèn)題與排查技巧實(shí)錄4.1 read一直阻塞不返回怎么辦這應(yīng)該是VxWorks串口開發(fā)里最高頻的問(wèn)題。前面在配置部分其實(shí)已經(jīng)埋了伏筆絕大多數(shù)情況是termios里c_lflag沒(méi)有關(guān)閉ICANON。最佳排除順序是先用tcgetattr把當(dāng)前配置打出來(lái)確認(rèn)ICANON、ECHO這些位的狀態(tài)再確認(rèn)是否設(shè)置了VTIME/VMIN如果兩個(gè)參數(shù)都是0非阻塞模式下read會(huì)立即返回而阻塞模式下則永遠(yuǎn)等待最后確認(rèn)是不是底層驅(qū)動(dòng)本身的配置有問(wèn)題這種一般發(fā)生在自己修改過(guò)BSP串口驅(qū)動(dòng)的情況下。我曾經(jīng)在一個(gè)項(xiàng)目里遇到非常隱蔽的情況板子上電后串口工作正常但只要運(yùn)行過(guò)一段網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的初始化代碼串口read就再也不返回了。后來(lái)排查發(fā)現(xiàn)是網(wǎng)絡(luò)初始化時(shí)修改了全局中斷優(yōu)先級(jí)和CPU中斷使能狀態(tài)影響了串口接收中斷。這類問(wèn)題已經(jīng)超出應(yīng)用層范圍只能通過(guò)查看中斷狀態(tài)寄存器定位。但這也提醒我們遇到詭異現(xiàn)象時(shí)不要只盯著應(yīng)用層代碼多想想周圍環(huán)境的變化。4.2 數(shù)據(jù)接收內(nèi)容是亂碼亂碼問(wèn)題一般集中在波特率、電平、數(shù)據(jù)格式三個(gè)層面。先排除波特率不匹配這是最常見(jiàn)的原因比如傳感器默認(rèn)9600而程序配了115200。其次是線路電平問(wèn)題RS232和TTL電平不能直接對(duì)接中間要有電平轉(zhuǎn)換芯片工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)還要考慮地線是否共地。最后是數(shù)據(jù)格式比如設(shè)備是8位數(shù)據(jù)位1位停止位程序配置成了7位數(shù)據(jù)位接收自然錯(cuò)亂。有一個(gè)實(shí)用排查技巧把示波器接到TX/RX線上直接看波形。從起始位和停止位的寬度能夠反推實(shí)際波特率用1個(gè)數(shù)據(jù)位的寬度算一下這樣就能確定是配置問(wèn)題還是硬件問(wèn)題不用猜。我在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)經(jīng)常用這個(gè)辦法區(qū)分程序沒(méi)配對(duì)和線接錯(cuò)了往往就在一瞬間。4.3 串口發(fā)送出去了但對(duì)端沒(méi)反應(yīng)先確認(rèn)數(shù)據(jù)真的從引腳上發(fā)出去了示波器一量就能驗(yàn)證。如果量不到信號(hào)說(shuō)明程序可能根本沒(méi)執(zhí)行到write或者設(shè)備文件打開失敗。如果量到了波形但對(duì)端沒(méi)反應(yīng)重點(diǎn)查對(duì)端設(shè)備的手冊(cè)確認(rèn)它的通信方式——有的設(shè)備是先聽后說(shuō)必須收到特定指令才上報(bào)數(shù)據(jù)有的設(shè)備是純主動(dòng)上報(bào)不需要任何指令還有的設(shè)備用的是RS485需要控制方向引腳單純發(fā)數(shù)據(jù)不夠還得把收發(fā)方向切換成發(fā)送模式這個(gè)在很多串口轉(zhuǎn)RS485的硬件上是個(gè)隱蔽的坑。VxWorks下還有一種特殊情況如果串口被系統(tǒng)控制臺(tái)占用了應(yīng)用層可以正常write但數(shù)據(jù)可能被控制臺(tái)相關(guān)的處理邏輯干擾。比如你printf輸出調(diào)試信息也走這個(gè)串口那應(yīng)用數(shù)據(jù)和控制臺(tái)輸出就混在一起了。這就是我在前文強(qiáng)調(diào)為什么業(yè)務(wù)串口要和調(diào)試串口分開的原因。4.4 高頻收發(fā)時(shí)丟數(shù)據(jù)高頻收發(fā)場(chǎng)景下丟數(shù)據(jù)通常是接收緩沖區(qū)溢出或者中斷響應(yīng)不及時(shí)。VxWorks的串口驅(qū)動(dòng)內(nèi)部有緩沖區(qū)但如果應(yīng)用層讀取不夠頻繁、處理耗時(shí)太長(zhǎng)數(shù)據(jù)就會(huì)在驅(qū)動(dòng)緩沖區(qū)里堆積溢出。關(guān)鍵在于調(diào)整調(diào)度策略讓接收任務(wù)有足夠的優(yōu)先級(jí)縮短從中斷產(chǎn)生到應(yīng)用層read之間的時(shí)間。還有一個(gè)容易忽視的點(diǎn)應(yīng)用層處理完一幀數(shù)據(jù)后最好不要在任務(wù)上下文里做大量計(jì)算和打印操作打印耗時(shí)會(huì)拉低整體接收吞吐正確做法是先把數(shù)據(jù)拷貝到自己的接收隊(duì)列交給低優(yōu)先級(jí)任務(wù)慢慢處理接收任務(wù)繼續(xù)保持高速。我在Zynq平臺(tái)上遇到過(guò)莫名其妙丟開頭幾個(gè)字節(jié)的情況后來(lái)發(fā)現(xiàn)是DMA配置問(wèn)題——DMA接收模式和串口中斷模式配合不良。如果程序需要高可靠性收發(fā)建議認(rèn)真閱讀芯片的UART控制器手冊(cè)確認(rèn)DMA描述符長(zhǎng)度和中斷觸發(fā)閾值設(shè)置合理。4.5 常見(jiàn)問(wèn)題速查表為了方便以后排查我把自己遇到過(guò)的典型問(wèn)題整理成一張速查表基本覆蓋了串口開發(fā)90%的坑現(xiàn)象可能原因排查方法read一直阻塞未關(guān)閉ICANONVTIME/VMIN配置不對(duì)tcgetattr打印配置檢查c_lflag數(shù)據(jù)亂碼波特率不匹配電平不對(duì)數(shù)據(jù)位格式錯(cuò)誤示波器量波形核對(duì)設(shè)備手冊(cè)發(fā)送無(wú)反應(yīng)設(shè)備文件打開失敗RS485方向未控制對(duì)端需指令觸發(fā)示波器確認(rèn)輸出檢查ioctl方向控制高頻收發(fā)丟數(shù)據(jù)緩沖區(qū)溢出任務(wù)調(diào)度不及時(shí)打印耗時(shí)太長(zhǎng)提高接收任務(wù)優(yōu)先級(jí)減少打印開銷打開設(shè)備失敗設(shè)備節(jié)點(diǎn)不存在驅(qū)動(dòng)未加載設(shè)備被占用i命令查看設(shè)備列表檢查BSP配置打印和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)混在一起控制臺(tái)復(fù)用同一串口shell重定向控制臺(tái)換成獨(dú)立業(yè)務(wù)串口偶發(fā)幀校驗(yàn)錯(cuò)誤線路干擾地電位差波特率微小偏差加屏蔽線共地處理降低波特率驗(yàn)證5. 進(jìn)階實(shí)踐與部署建議5.1 如何把示例程序部署到VxWorks鏡像里示例代碼寫好后很多人卡在怎么把它編譯進(jìn)VxWorks工程。這里補(bǔ)充一個(gè)最小操作路徑在VxWorks Workbench里創(chuàng)建或者打開一個(gè)bootable工程把三個(gè)源文件加進(jìn)工程源碼目錄然后通過(guò)Workbench的構(gòu)建配置把源文件編譯進(jìn)vxWorks鏡像的usrAppInit或自定義啟動(dòng)任務(wù)里。具體路徑不同版本略有差異但思路一樣——把uart_demo_task掛到系統(tǒng)啟動(dòng)任務(wù)序列中。如果是VxWorks 7底層是基于Yocto的VSBVxWorks Source Build和VIPVxWorks Image Project兩層構(gòu)建方式。VSB里需要確保包含了串口驅(qū)動(dòng)組件比如IPNET_UART或DRV_SIO這類組件不同BSP的名字可能不同。確認(rèn)方法是在VSB配置界面里搜16550或uart關(guān)鍵字。IP組件配置不對(duì)是最常見(jiàn)的啟動(dòng)后串口無(wú)輸出的原因之一。5.2 與Zynq平臺(tái)相關(guān)的特殊性熱詞里出現(xiàn)了不少vxworks移植到正點(diǎn)原子zynq 7100之類的內(nèi)容。Zynq系列是Xilinx現(xiàn)在是AMD的異構(gòu)SoC內(nèi)部是ARM Cortex-A9雙核加FPGA架構(gòu)。VxWorks跑在ARM核上串口硬核用的是Zynq的UART控制器在VxWorks的BSP里已經(jīng)有對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)支持。實(shí)際上手時(shí)有一點(diǎn)和純粹ARM平臺(tái)不同——Zynq的UART時(shí)鐘由PS側(cè)的時(shí)鐘配置決定如果FSBL或者引導(dǎo)程序里設(shè)置的UART時(shí)鐘和VxWorks BSP編譯時(shí)的默認(rèn)時(shí)鐘不一致就會(huì)出現(xiàn)波特率偏移。有次我們的板子串口輸出全是亂碼查了很久最后發(fā)現(xiàn)是FSBL里改了UART時(shí)鐘頻率VxWorks BSP里卻是按另一個(gè)頻率計(jì)算的。這類問(wèn)題的排查方法也很直接量波形確認(rèn)實(shí)際波特率然后去改BSP里的時(shí)鐘宏定義重新編譯VSB。5.3 多任務(wù)環(huán)境下串口使用的設(shè)計(jì)模式VxWorks的多任務(wù)環(huán)境是它的核心優(yōu)勢(shì)但也是串口程序設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。如果多個(gè)任務(wù)同時(shí)對(duì)一個(gè)串口做read/write沒(méi)有協(xié)調(diào)機(jī)制的話會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的資源競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。我常用的設(shè)計(jì)模式是單讀寫任務(wù)消息隊(duì)列分發(fā)一個(gè)專門的串口接收任務(wù)負(fù)責(zé)read和解析解析出來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)消息隊(duì)列發(fā)給各個(gè)業(yè)務(wù)任務(wù)發(fā)送方向則是所有任務(wù)都把要發(fā)的數(shù)據(jù)放入發(fā)送隊(duì)列由串口發(fā)送任務(wù)統(tǒng)一write。這樣做的好處是串口只有一個(gè)任務(wù)在操作天然避免了競(jìng)態(tài)而且接收任務(wù)優(yōu)先級(jí)可以設(shè)得較高保證不丟數(shù)據(jù)的同時(shí)其他任務(wù)不會(huì)被長(zhǎng)時(shí)間打斷。如果系統(tǒng)里有強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求可以在接收任務(wù)里直接做信號(hào)量同步中斷服務(wù)程序收到一幀數(shù)據(jù)就釋放信號(hào)量接收任務(wù)立刻被喚醒去處理。這種中斷信號(hào)量任務(wù)的組合拳是VxWorks下比較高效的模式比裸輪詢省電比純中斷上下文處理安全中斷上下文里不允許調(diào)用printf這類非中斷安全的操作。5.4 收尾經(jīng)驗(yàn)上值得留意的幾點(diǎn)最后補(bǔ)充幾個(gè)我實(shí)際項(xiàng)目中沉淀下來(lái)的小習(xí)慣雖然不能保證每個(gè)項(xiàng)目都適用但多數(shù)情況下能幫你少走彎路第一收到數(shù)據(jù)先存后解析不要把解析邏輯直接寫在read返回后的處理里尤其是涉及浮點(diǎn)運(yùn)算、打印格式化這些耗時(shí)操作時(shí)盡量和接收路徑解耦。第二串口配置做完后一定要調(diào)用tcflush清空緩沖區(qū)否則上電殘留的臟數(shù)據(jù)會(huì)影響第一幀的解析。第三程序的異常分支一定要打印errnoVxWorks的errno能直接反映底層錯(cuò)誤類型比返回-1這種信息有價(jià)值得多。第四多留調(diào)試接口比如通過(guò)shell命令動(dòng)態(tài)修改波特率、打開或關(guān)閉幀解析的時(shí)間統(tǒng)計(jì)這些看似多余的功能在現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題上能省下大量時(shí)間。我始終覺(jué)得串口通信在嵌入式開發(fā)里不算高深技術(shù)但恰恰是這種基礎(chǔ)模塊最考驗(yàn)工程師對(duì)系統(tǒng)的整體把握能力。一個(gè)小小串口牽扯到BSP、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、中斷機(jī)制、任務(wù)調(diào)度、應(yīng)用層邏輯每一層都可能出問(wèn)題。把這份示例程序跑通只是第一步更重要的是理解每一層之間的關(guān)系這樣就算以后遇到復(fù)雜問(wèn)題也能順著這條技術(shù)鏈路一步步定位到根因。希望這篇內(nèi)容對(duì)正打算在VxWorks上做串口開發(fā)的你有所幫助。本文還有配套的精品資源點(diǎn)擊獲取