C语言实现串行通信接口程序

　　摘要: 本文说明了异步串行通信(RS-232)的工作方式，探讨了查询和中断两种软件接口利弊，并给出两种方式的C语言源程序的I/O通道之一，以最简单方式组成的串行双工线路只需两条信号线和一条公共地线，因此串行通信既有线路简单的优点同时也有它的缺点，即通信速率无法同并行通信相比，实际上EIA RS-232C在标准条件下的最大通信速率仅为20Kb/S。
　　尽管如此，大多数外设都提供了串行口接口，尤其在工业现场RS-232C的应用更为常见。IBM PC及兼容机系列都有RS-232的适配器，操作系统也提供了编程接口，系统接口分为DOS功能调用和BIOS功能调用两种：DOS INT 21H的03h和04h号功能调用为异步串行通信的接收和发送功能；而BIOS INT 14H有4组功能调用为串行通信服务，但DOS和BIOS功能调用都需握手信号，需数根信号线连接或彼此间互相短接，最为不便的是两者均为查询方式，不提供中断功能，难以实现高效率的通信程序，为此本文采用直接访问串行口硬件端口地址的方式，用C语言编写了串行通信查询和中断两种方式的接口程序。
　　1.串行口工作原理
　　微机串行通信采用EIA RS-232C标准，为单向不平衡传输方式，信号电平标准±12V，负逻辑，即逻辑1(MARKING)表示为信号电平-12V，逻辑0(SPACING)表示为信号电平+12V，最大传送距离15米，最大传送速率19.6K波特，其传送序列如图1，平时线路保持为1，传送数据开始时，先送起始位(0)，然后传8(或7，6，5)个数据位(0，1)，接着可传1位奇偶校验位，最后为1～2个停止位(1)，由此可见，传送一个ASCII字符(7位)，加上同步信号最少需9位数据位。
　　@@T8S12300.GIF;图1@@
　　串行通信的工作相当复杂，一般采用专用芯片来协调处理串行数据的发送接收，称为通用异步发送/接收器(UART)，以节省CPU的时间，提高程序运行效率，IBM PC系列采用8250 UART来处理串行通信。
　　在BIOS数据区中的头8个字节为4个UART的端口首地址，但DOS只支持2个串行口：COM1(基地址0040：0000H)和COM2(基地址0040：0002H)。8250 UART共有10个可编程的单字节寄存器，占用7个端口地址，复用地址通过读/写操作和线路控制寄存器的第7位来区分。这10个寄存器的具体功能如下：
　　COM1(COM2) 寄存器
　　端口地址功能 DLAB状态
　　3F8H(2F8H) 发送寄存器(写) 0
　　3F8H(2F8H) 接收寄存器(读) 0
　　3F8H(2F8H) 波特率因子低字节 1
　　3F9H(2F9H) 波特率因子高字节 1
　　3F9H(2F9H) 中断允许寄存器 0
　　3FAH(2FAH) 中断标志寄存器
　　3FBH(2FBH) 线路控制寄存器
　　3FCH(2FCH) MODEM控制寄存器
　　3FDH(2FDH) 线路状态寄存器
　　3FEH(2FEH) MODEM状态寄存器
　　注：DLAB为线路控制寄存器第七位在编写串行通信程序时，若采用低级方式，只需访问UART的这10个寄存器即可，相对于直接控制通信的各个参量是方便可靠多了。其中MODEM控制/状态寄存器用于调制解调器的通信控制，一般情况下不太常用；中断状态/标志寄存器用于中断方式时的通信控制，需配合硬件中断控制器8259的编程；波特率因子高/低字节寄存器用于初始化串行口时通信速率的设定；线路控制/状态寄存器用于设置通信参数，反映当前状态；发送/接收寄存器通过读写操作来区分，不言而喻用于数据的发送和接收。
　　UART可向CPU发出一个硬件中断申请，此中断信号接到中断控制器8259，其中COM1接IRQ4(中断OCH)，COM2接IRQ3(中断OBH)。用软件访问8259的中断允许寄存器(地址21H)来设置或屏蔽串行口的中断，需特别指出的是，设置中断方式串行通信时，MODEM控制寄存器的第三位必须置1，此时CPU才能响应UART中断允许寄存器许可的任何通信中断。
　　2.编程原理
　　程序1为查询通信方式接口程序，为一典型的数据采集例程。其中bioscom()函数初始化COM1(此函数实际调用BIOS INT 14H中断0号功能)。这样在程序中就避免了具体设置波特率因子等繁琐工作，只需直接访问发送/接收寄存器(3F8H)和线路状态寄存器(3FDH)来控制UART的工作。线路状态寄存器的标志内容如下：
　　第0位 1=收到一字节数据
　　第1位 1=所收数据溢出
　　第2位 1=奇偶校验错
　　第3位 1=接收数据结构出错
　　第4位 1=断路检测
　　第5位 1=发送保存寄存器空
　　第6位 1=发送移位寄存器空
　　第7位 1=超时
　　当第0位为1时，标志UART已收到一完整字节，此时应及时将之读出，以免后续字符重叠，发生溢出错误，UART有发送保持寄存器和发送移位寄存器。发送数据时，程序将数据送入保持寄存器(当此寄存器为空时)，UART自动等移位寄存器为空时将之写入，然后把数据转换成串行形式发送出去。
　　本程序先发送命令，然后循环检测，等待接收数据，当超过一定时间后视为数据串接收完毕。若接收到数据后返回0，否则返回1。
　　若以传送一个ASCII字符为例，用波特率9600 b/s，7个数据位，一个起始位，一个停止位来初始化UART，则计算机1秒可发送/接收的最大数据量仅为9600/9=1074字节，同计算机所具有的高速度是无法相比的，CPU的绝大局部时间耗费在循环检测标志位上。在一个有大量数据串行输入/输出的应用程序中，这种消耗是无法容忍的，也不是一种高效率通信方式，而且可以看到，在接收一个长度未知的数据串时，有可能发生遗漏。
　　程序2是一组中断方式通信接口程序。微机有两条用于串行通信的硬件中断通道IRQ3(COM2)和IRQ4(COM1)，对应中断向量为OBH和OCH，可通过设置中断屏蔽寄存器(地址21H)来开放中断。置1时屏蔽该中断，否则开放中断。硬件中断例程必须在程序末尾往中断命令寄存器(地址20H)写入20H，即
　　MOV AL， 20H
　　OUT 20H， AL用以将当前中断服务寄存器清零，避免中断重复响应。
　　每路UART有4组中断，程序可通过中断允许寄存器(3F9H)来设置开放那路中断。这4组中断的位标志如下：
　　第0位 1=接收到数据
　　第1位 1=发送保持寄存器为空
　　第2位 1=接收数据出错
　　第3位 1=MODEM状态寄存器改变
　　第4～7位为0
　　在中断例程中检查UART的中断标志寄存器(3FAH)，确定是哪一组事件申请中断。该寄存器第0位为0时表示有中断申请，响应该中断并采取相应措施后，UART自动复位中断标志；第2，1位标志中断类型，其位组合格式如下：代码中断类型复位措施11接收出错读线路状态寄存器10接收到数据读接收寄存器01发送寄存器空输出字符至发送寄存器00MODEM状态改变读MODEM状态寄存器这4组中断的优先级为0号最低，3号最高。
　　在本组程序中，函数setinterrupt()和clearinterrupt()设置和恢复串行通信中断向量；cominit()初始化指定串行口并开放相应中断；sendcomdata()和getcomeomdata()用于发送和接收数据串；com1()和com2()为中断例程，二者均调用fax2()函数，fax2()函数为实际处理数据接收和发送的例程。明确了串行口的工作原理，就不难理解其具体程序。
　　3.结论
　　上述程序采用C语言编写，在BORLAND C++2.0集成环境中调试通过，为简单起见，只考虑了使用发送/接收两条信号线的情况，并未考虑使用握手信号线。
　　在实际应用中这两组程序尚有一些可修改之处。比如，中断接收程序中的缓冲区可改为循环表，以防数据溢出，尽可能保留最新数据。由于笔者水平所限，文中缺乏疏漏之处尚希行家指正。
　　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]=;
　　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，Hardinterrupt0xf7); //com2 ，0
　　else
　　outportb(0x21，Hardinterrupt0xef); //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;imaxsize;i++) com[comnum].buf=;
　　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.portadd+2);
　　do
　　{
　　if(mark0x4)// receive data
　　{ if (com.bufh==maxsize)
　　com.bufh=0; com.buf[com.bufh++]=inportb(com.portadd); com[
　　i].recount++;}
　　else if(mark0x2)// send command
　　{ if(*com.comm)
　　outportb(com.p
　　ortadd，*com.comm++);
　　com，sendcount++;}
　　else
　　outportb(com.portadd+1，1);
　　}
　　}while ((mark=inport([1]. portadd+2))!=1);
　　outportb(ox20，0x20); //hard int return
　　}
　　// interruptmark 1= reoeive， 2=send， 3=recsend
　　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]=;
　　com[comnum].recount=com [comnum].bufh=0;
　　retun(result);
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