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串口通信作为一种基础的数据传输方式,在嵌入式开发、工业控制、设备调试等领域仍被广泛应用，Linux系统提供了丰富的串口操作函数，这些函数基于POSIX标准，通过终端设备文件（如/dev/ttyS0、/dev/ttyUSB0等）实现对串口的配置、读写及控制，本文将详细介绍Linux串口相关的核心函数、配置参数、读写操作及实战应用，帮助开发者掌握串口编程的关键技术。

Linux串口设备文件与权限管理

在Linux系统中,串口设备以文件形式存在于/dev目录下，常见的有物理串口（如/dev/ttyS0对应COM1）和USB转串口设备（如/dev/ttyUSB0），应用程序通过标准文件I/O函数（如open、read、write）操作这些设备文件，但需确保进程对设备文件具有读写权限，默认情况下，串口设备属于dialout组（或特定用户组），可通过chmod 666 /dev/ttyS0修改权限，或将用户添加到dialout组（sudo usermod -aG dialout $USER）以获得访问权限。

打开串口设备时,推荐使用open()函数的O_RDWR（读写模式）、O_NOCTTY（防止终端成为控制终端）和O_NDELAY（非阻塞模式，可选）标志位组合，

int fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);  
if (fd < 0) {  
    perror("Failed to open serial port");  
    exit(EXIT_FAILURE);  
}  

核心串口配置函数：termios结构体详解

Linux串口的配置通过termios结构体实现，该结构体定义在<termios.h>中，包含控制模式、输入模式、输出模式、本地模式及控制字符等参数，核心配置函数包括tcgetattr()（获取当前配置）、tcsetattr()（设置配置）及波特率设置函数cfsetispeed()、cfsetospeed()。

获取与设置串口属性

tcgetattr()函数用于读取当前串口配置，存储到termios结构体中：

struct termios options;  
tcgetattr(fd, &options);  

tcsetattr()函数用于修改配置，其第三个参数决定生效时机：TCSANOW（立即生效）、TCSADRAIN（输出完成后生效）、TCSAFLUSH（清空输入/输出缓冲区后生效）。

波特率配置

波特率通过c_cflag成员的Baud Rate位域设置，例如设置9600波特率：

cfsetispeed(&options, B9600);  // 输入波特率  
cfsetospeed(&options, B9600);  // 输出波特率  

常用波特率常量包括B300、B1200、B9600、B115200等，需确保两端设备波特率一致。

数据位、停止位与校验位

• 数据位：通过c_cflag的CSIZE位域设置，如CS8（8位数据位），需先清除原有设置：

  options.c_cflag &= ~CSIZE;  // 清除数据位设置  
  options.c_cflag |= CS8;     // 设置8位数据位  

• 停止位：通过c_cflag的CSTOPB位控制，1位停止位时不设置该位，2位停止位时设置options.c_cflag |= CSTOPB;。
• 校验位：通过c_cflag的PARENB、PARODD控制，如无校验位时options.c_cflag &= ~PARENB；奇校验时options.c_cflag |= PARENB | PARODD；偶校验时options.c_cflag |= PARENB并清除PARODD。

其他关键配置

• 硬件流控：禁用RTS/CTS流控时，需清除c_cflag的CRTSCTS位（options.c_cflag &= ~CRTSCTS）。
• 软件流控：通过c_iflag的IXON、IXOFF等位控制，通常禁用软件流控（options.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY)）。
• 输入/输出模式：默认为规范模式（ICANON），此时数据按行处理；非规范模式适合二进制数据传输，需设置options.c_lflag &= ~ICANON，并通过c_cc中的VMIN（最小读取字节数）和VTIME（超时时间，单位为0.1秒）控制读取行为。

串口读写操作与错误处理

串口数据传输主要通过read()和write()函数实现，需注意串口是流式设备，数据可能被拆分成多次读取。

读取数据

read()函数从串口缓冲区读取数据到指定缓冲区，返回读取的字节数（出错时返回-1），非阻塞模式下，若无数据可读则返回-1并设置errno为EAGAIN；阻塞模式下会等待数据到达，读取10字节数据：

char buffer[1024];  
int n = read(fd, buffer, 10);  
if (n < 0) {  
    perror("Failed to read from serial port");  
} else {  
    printf("Read %d bytes: %.*s\n", n, n, buffer);  
}  

写入数据

write()函数将缓冲区数据写入串口，返回实际写入的字节数，需处理部分写入的情况（例如网络延迟导致写入中断），可通过循环写入确保数据完整：

const char *data = "Hello, Serial Port!";  
int len = strlen(data);  
int written = 0;  
while (written < len) {  
    int n = write(fd, data + written, len - written);  
    if (n < 0) {  
        perror("Failed to write to serial port");  
        break;  
    }  
    written += n;  
}  

缓冲区控制与错误恢复

• 清空缓冲区：tcflush()函数可清空输入/输出缓冲区，参数TCIFLUSH（输入缓冲区）、TCOFLUSH（输出缓冲区）、TCIOFLUSH（双向清空）。
• 等待输出完成：tcdrain()函数阻塞程序，直到所有输出数据发送完毕。
• 错误处理：串口通信中常见错误包括帧错误（FE）、奇偶校验错误（PE）、溢出错误（OE），可通过c_iflag的IGNPAR（忽略奇偶校验错误）或PARMRK（标记错误字符）处理。

实战示例：简单串口回显程序

以下是一个完整的串口回显程序,实现从串口读取数据并写回：

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
#include <string.h>  
#include <unistd.h>  
#include <fcntl.h>  
#include <termios.h>  
int main() {  
    int fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR | O_NOCTTY);  
    if (fd < 0) {  
        perror("Failed to open serial port");  
        return -1;  
    }  
    struct termios options;  
    tcgetattr(fd, &options);  
    // 配置串口参数：9600波特率，8数据位，无校验，1停止位  
    cfsetispeed(&options, B9600);  
    cfsetospeed(&options, B9600);  
    options.c_cflag &= ~PARENB;   // 无校验位  
    options.c_cflag &= ~CSTOPB;   // 1停止位  
    options.c_cflag &= ~CSIZE;  
    options.c_cflag |= CS8;       // 8数据位  
    options.c_cflag &= ~CRTSCTS;  // 禁用硬件流控  
    // 输入/输出模式：非规范模式，不处理控制字符  
    options.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);  
    options.c_oflag &= ~OPOST;    // 原始输出模式  
    // 设置超时：100ms内读取至少1字节  
    options.c_cc[VMIN] = 1;  
    options.c_cc[VTIME] = 1;  
    tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);  
    char buffer[1024];  
    while (1) {  
        int n = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);  
        if (n > 0) {  
            buffer[n] = '\0';  
            printf("Received: %s", buffer);  
            write(fd, buffer, n);  // 回显  
        }  
    }  
    close(fd);  
    return 0;  
}  

编译并运行程序后,串口助手发送数据即可看到回显效果。

应用场景与注意事项

Linux串口函数广泛应用于嵌入式设备调试（如树莓派、Arduino）、工业传感器数据采集（如温湿度、GPS模块）、医疗设备通信等领域，开发时需注意：

1. 权限管理：确保程序对串口设备具有访问权限，避免因权限不足导致操作失败。
2. 参数匹配：串口两端需保持波特率、数据位、停止位、校验位一致，否则数据传输会出现乱码。
3. 异常处理：对read()、write()等函数的返回值进行检查，处理部分读写、设备断开等情况。
4. 资源释放：程序退出前需调用close()关闭串口，避免资源泄漏；若程序异常终止，可通过flock()或文件锁机制防止其他进程访问。

通过合理配置termios结构体和灵活运用串口函数,可高效实现Linux系统下的串口通信功能，满足不同场景的数据传输需求。