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C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)串行通信接口程序
摘 要 本文說(shuō)明了異步串行通信(RS-232)的工作方式，探討了查詢(xún)和中斷兩種軟件接口利弊，并給出兩種方式的C語(yǔ)言源程序。的I/O通道之一，以最簡(jiǎn)單方式組成的串行雙工線(xiàn)路只需兩條信號(hào)線(xiàn)和一條公共地線(xiàn)，因此串行通信既有線(xiàn)路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)也有它的缺點(diǎn)，即通信速率無(wú)法同并行通信相比，實(shí)際上EIA RS-232C在標(biāo)準(zhǔn)條件下的最大通信速率僅為20Kb/S。
盡管如此，大多數(shù)外設(shè)都提供了串行口接口，尤其在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)RS-232C的應(yīng)用更為常見(jiàn)。IBM PC及兼容機(jī)系列都有RS-232的適配器，操作系統(tǒng)也提供了編程接口，系統(tǒng)接口分為DOS功能調(diào)用和BIOS功能調(diào)用兩種：DOS INT 21H的03h和04h號(hào)功能調(diào)用為異步串行通信的接收和發(fā)送功能；而B(niǎo)IOS INT 14H有4組功能調(diào)用為串行通信服務(wù)，但DOS和BIOS功能調(diào)用都需握手信號(hào)，需數(shù)根信號(hào)線(xiàn)連接或彼此間互相短接，最為不便的是兩者均為查詢(xún)方式，不提供中斷功能，難以實(shí)現(xiàn)高效率的通信程序，為此本文采用直接訪(fǎng)問(wèn)串行口硬件端口地址的方式，用C語(yǔ)言編寫(xiě)了串行通信查詢(xún)和中斷兩種方式的接口程序。
1.串行口工作原理
微機(jī)串行通信采用EIA RS-232C標(biāo)準(zhǔn)，為單向不平衡傳輸方式，信號(hào)電平標(biāo)準(zhǔn)±12V，負(fù)邏輯，即邏輯1(MARKING)表示為信號(hào)電平-12V，邏輯0(SPACING)表示為信號(hào)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1，平時(shí)線(xiàn)路保持為1，傳送數(shù)據(jù)開(kāi)始時(shí)，先送起始位(0),然后傳8(或7，6，5)個(gè)數(shù)據(jù)位(0，1)，接著可傳1位奇偶校驗(yàn)位，最后為1～2個(gè)停止位(1)，由此可見(jiàn)，傳送一個(gè)ASCII字符(7位)，加上同步信號(hào)最少需9位數(shù)據(jù)位。
@@T8S12300.GIF;圖1@@
串行通信的工作相當(dāng)復(fù)雜，一般采用專(zhuān)用芯片來(lái)協(xié)調(diào)處理串行數(shù)據(jù)的發(fā)送接收，稱(chēng)為通用異步發(fā)送/接收器(UART)，以節(jié)省CPU的時(shí)間，提高程序運(yùn)行效率，IBM PC系列采用8250 UART來(lái)處理串行通信。
在BIOS數(shù)據(jù)區(qū)中的頭8個(gè)字節(jié)為4個(gè)UART的端口首地址，但DOS只支持2個(gè)串行口：COM1(基地址0040：0000H)和COM2(基地址0040：0002H)。8250 UART共有10個(gè)可編程的單字節(jié)寄存器，占用7個(gè)端口地址，復(fù)用地址通過(guò)讀/寫(xiě)操作和線(xiàn)路控制寄存器的第7位來(lái)區(qū)分。這10個(gè)寄存器的具體功能如下：
COM1(COM2) 寄存器
端口地址 功能 DLAB狀態(tài)
3F8H(2F8H) 發(fā)送寄存器(寫(xiě)) 0
3F8H(2F8H) 接收寄存器(讀) 0
3F8H(2F8H) 波特率因子低字節(jié) 1
3F9H(2F9H) 波特率因子高字節(jié) 1
3F9H(2F9H) 中斷允許寄存器 0
3FAH(2FAH) 中斷標(biāo)志寄存器
3FBH(2FBH) 線(xiàn)路控制寄存器
3FCH(2FCH) MODEM控制寄存器
3FDH(2FDH) 線(xiàn)路狀態(tài)寄存器
3FEH(2FEH) MODEM狀態(tài)寄存器
注：DLAB為線(xiàn)路控制寄存器第七位在編寫(xiě)串行通信程序時(shí)，若采用低級(jí)方式，只需訪(fǎng)問(wèn)UART的這10個(gè)寄存器即可，相對(duì)于直接控制通信的各個(gè)參量是方便可靠多了。其中MODEM控制/狀態(tài)寄存器用于調(diào)制解調(diào)器的通信控制，一般情況下不太常用；中斷狀態(tài)/標(biāo)志寄存器用于中斷方式時(shí)的通信控制，需配合硬件中斷控制器8259的編程；波特率因子高/低字節(jié)寄存器用于初始化串行口時(shí)通信速率的設(shè)定；線(xiàn)路控制/狀態(tài)寄存器用于設(shè)置通信參數(shù)，反映當(dāng)前狀態(tài)；發(fā)送/接收寄存器通過(guò)讀寫(xiě)操作來(lái)區(qū)分，不言而喻用于數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。
UART可向CPU發(fā)出一個(gè)硬件中斷申請(qǐng)，此中斷信號(hào)接到中斷控制器8259，其中COM1接IRQ4(中斷OCH)，COM2接IRQ3(中斷OBH)。用軟件訪(fǎng)問(wèn)8259的中斷允許寄存器(地址21H)來(lái)設(shè)置或屏蔽串行口的中斷，需特別指出的是，設(shè)置中斷方式串行通信時(shí)，MODEM控制寄存器的第三位必須置1，此時(shí)CPU才能響應(yīng)UART中斷允許寄存器許可的任何通信中斷。
2.編程原理
程序1為查詢(xún)通信方式接口程序，為一典型的數(shù)據(jù)采集例程。其中bioscom()函數(shù)初始化COM1(此函數(shù)實(shí)際調(diào)用BIOS INT 14H中斷0號(hào)功能)。這樣在程序中就避免了具體設(shè)置波特率因子等繁瑣工作，只需直接訪(fǎng)問(wèn)發(fā)送/接收寄存器(3F8H)和線(xiàn)路狀態(tài)寄存器(3FDH)來(lái)控制UART的工作。線(xiàn)路狀態(tài)寄存器的標(biāo)志內(nèi)容如下：
第0位 1=收到一字節(jié)數(shù)據(jù)
第1位 1=所收數(shù)據(jù)溢出
第2位 1=奇偶校驗(yàn)錯(cuò)
第3位 1=接收數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)出錯(cuò)
第4位 1=斷路檢測(cè)
第5位 1=發(fā)送保存寄存器空
第6位 1=發(fā)送移位寄存器空
第7位 1=超時(shí)
當(dāng)?shù)?位為1時(shí)，標(biāo)志UART已收到一完整字節(jié)，此時(shí)應(yīng)及時(shí)將之讀出，以免后續(xù)字符重疊，發(fā)生溢出錯(cuò)誤，UART有發(fā)送保持寄存器和發(fā)送移位寄存器。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，程序?qū)?shù)據(jù)送入保持寄存器(當(dāng)此寄存器為空時(shí))，UART自動(dòng)等移位寄存器為空時(shí)將之寫(xiě)入，然后把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行形式發(fā)送出去。
本程序先發(fā)送命令，然后循環(huán)檢測(cè)，等待接收數(shù)據(jù)，當(dāng)超過(guò)一定時(shí)間后視為數(shù)據(jù)串接收完畢。若接收到數(shù)據(jù)后返回0，否則返回1。
若以傳送一個(gè)ASCII字符為例，用波特率9600 b/s，7個(gè)數(shù)據(jù)位，一個(gè)起始位，一個(gè)停止位來(lái)初始化UART，則計(jì)算機(jī)1秒可發(fā)送/接收的最大數(shù)據(jù)量?jī)H為9600/9=1074字節(jié)，同計(jì)算機(jī)所具有的高速度是無(wú)法相比的，CPU的絕大部分時(shí)間耗費(fèi)在循環(huán)檢測(cè)標(biāo)志位上。在一個(gè)有大量數(shù)據(jù)串行輸入/輸出的應(yīng)用程序中，這種消耗是無(wú)法容忍的，也不是一種高效率通信方式，而且可以看到，在接收一個(gè)長(zhǎng)度未知的數(shù)據(jù)串時(shí)，有可能發(fā)生遺漏。
程序2是一組中斷方式通信接口程序。微機(jī)有兩條用于串行通信的硬件中斷通道IRQ3(COM2)和IRQ4(COM1)，對(duì)應(yīng)中斷向量為OBH和OCH，可通過(guò)設(shè)置中斷屏蔽寄存器(地址21H)來(lái)開(kāi)放中斷。置1時(shí)屏蔽該中斷，否則開(kāi)放中斷。硬件中斷例程必須在程序末尾往中斷命令寄存器(地址20H)寫(xiě)入20H，即
MOV AL， 20H
OUT 20H， AL用以將當(dāng)前中斷服務(wù)寄存器清零，避免中斷重復(fù)響應(yīng)。
每路UART有4組中斷，程序可通過(guò)中斷允許寄存器(3F9H)來(lái)設(shè)置開(kāi)放那路中斷。這4組中斷的位標(biāo)志如下：
第0位 1=接收到數(shù)據(jù)
第1位 1=發(fā)送保持寄存器為空
第2位 1=接收數(shù)據(jù)出錯(cuò)
第3位 1=MODEM狀態(tài)寄存器改變
第4～7位為0
在中斷例程中檢查UART的中斷標(biāo)志寄存器(3FAH)，確定是哪一組事件申請(qǐng)中斷。該寄存器第0位為0時(shí)表示有中斷申請(qǐng)，響應(yīng)該中斷并采取相應(yīng)措施后，UART自動(dòng)復(fù)位中斷標(biāo)志；第2，1位標(biāo)志中斷類(lèi)型，其位組合格式如下：代碼 中斷類(lèi)型 復(fù)位措施11接收出錯(cuò)讀線(xiàn)路狀態(tài)寄存器10接收到數(shù)據(jù)讀接收寄存器01發(fā)送寄存器空輸出字符至發(fā)送寄存器00MODEM狀態(tài)改變讀MODEM狀態(tài)寄存器這4組中斷
的優(yōu)先級(jí)為0號(hào)最低，3號(hào)最高。
在本組程序中，函數(shù)setinterrupt()和clearinterrupt()設(shè)置和恢復(fù)串行通信中斷向量；cominit()初始化指定串行口并開(kāi)放相應(yīng)中斷；sendcomdata()和getcomeomdata()用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)串；com1()和com2()為中斷例程，二者均調(diào)用fax2()函數(shù)，fax2()函數(shù)為實(shí)際處理數(shù)據(jù)接收和發(fā)送的例程。明確了串行口的工作原理，就不難理解其具體程序。
3.結(jié)論
上述程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，在BORLAND C++2.0集成環(huán)境中調(diào)試通過(guò)，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，只考慮了使用發(fā)送/接收兩條信號(hào)線(xiàn)的情況，并未考慮使用握手信號(hào)線(xiàn)。
在實(shí)際應(yīng)用中這兩組程序尚有一些可修改之處。比如，中斷接收程序中的緩沖區(qū)可改為循環(huán)表，以防數(shù)據(jù)溢出，盡可能保留最新數(shù)據(jù)。由于筆者水平所限，文中不足疏漏之處尚希行家指正。
程序1：
static int receive_delay=10000;
int may(unsigned par,char *comm,char *ss)
{int cs=0,j=0;
char *p;
bioscom(0,par,0); //com1
loop:p=comm;
inportb(0x3f8); //reset
do{ while((inportb(0x3f8+5)&0x20)==0); outportb(0x3f8,*p++);
}while(*p); //send command
os=0;j=0;
do{ if((inportb(0x3fd)&0x01)==0)
if(os〉receive_delay) break;
else { cs++;
continue; } ss[j++]=inportb(0x3f8); cs=0;
}while(l);
ss[j]='\0';
if(j) return 0;
else return 1;
程序2：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <bios.h>
#inolude <dos.h>
#define maxsize 4096
#define SEND 2
#define RECEIVE 1
#define COM1 0
#define COM2 1
static unsigned char Hardinterrupt=0;
struct ComInterrupt
{int portadd;
int intbit;
char buf[maxsize],*comm;
int bufh,recount,sendcount;
}com[2]={{0x3f8,0x0c,"","",0,0,0},
{0x2f8,0x0b,"","",0,0,0} };
void static interrupt (*old_com[2])(void);
vold interrupt coml(vold);
void interrupt com2(void);
void fax2(int comnum);
void setinterrupt(int comnum);
void clearinterrupt(int comnum);
void cominit(int comnum, int para, int interruptmark);
void sendcomdata (int comnum,char *command);
int getcomdata (int comnum, char *buf);
void interrupt com1(void)
{fax2(0);}
void interrupt com2(void)
{fax2(1);}
// set cominterrupt, comnum 0=com1, 1=com2
void setinterrupt (int comnum)
{
old_com[comnum]=getvect(com[comnum].intbit);
if (!oomnum)
setvect(com[comnum].intbit,coml); //com1
else
setvect(com[comnum].intbit,com2); //com2
//set hard int
Hardinterrupt = inportb(0x21);
if(comnum)
outportb(0x21,Hardinterrupt&0xf7); //com2 ,0
else
outportb(0x21,Hardinterrupt&0xef); //com1 0,
}
void clear interrupt(int comnum)
{
if(comnum)
outportb(0x21,Hardinterrupt | 0x08); //COM2
else
outportb(0x21,Hardinterrupt|0x10); //COM1
setvect(com[comnum].intbit,old_com[comnum]);
for( i=0;i<maxsize;i++) com[comnum].buf[i]='\0';
com[comnum].sendcount=com[comnum].recount=com[comnum].bufh=0;
outportb(com[comnum].portadd+1,0);
outportb(com[comnum].por tadd+4,0x0);
}
void fax2(int i)//i=o,com1; i=1, com2
{ unsigned char mark;
mark=inport(com[i].portadd+2);
do
{
if(mark&0x4)// receive data
{ if (com[i].bufh==maxsize)
com[i].bufh=0; com[i].buf[com[i].bufh++]=inportb(com[i].portadd); com[
i].recount++;}
else if(mark&0x2)// send command
{ if(*com[i].comm)
outportb(com[i].p
ortadd,*com[
i].comm++);
com[i],sendcount++;}
else
outportb(com[i].portadd+1,1);
}
}while ((mark=inport([1]. portadd+2))!=1);
outportb(ox20,0x20); //hard int return
}
// interruptmark 1= reoeive, 2=send, 3=rec&send
void comint(int com, char para, int interruptmark)
{
bioscom(0, par, com);
//open com interrupt
outportbv (com[comnum]. portadd+4,0x8;
outportb (com[comnum].portadd+1,interruptmark);
}
void sendcomdata(int comnum,char * command)
{ unsigned char interruptmark;
com[comnum],comm=command;
com[comnum],sendcount=0;
//set send interrupt
interruptmark=inportb (com[comnum].portadd_1);
outportb (com[comnum].portadd+1.(interruptmark|2));
}
//get com_receivedate and clear com_receivebuf,
int getcomdata (int comnum, char * buf)
{ int result=com[comnum]. recount,i:
if(buf)
strncpy(buf,com[comnum].buf,com
[comnum].bufh);
buf[com[comnum].bufh]='\0';
com[comnum].recount=com [comnum].bufh=0;
retun(result);
}
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