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C语言实现串行通信接口程序

来源:  作者:王革非 王屹 孔庆彦 [字体: ]
  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的绝大部分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,文中不足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]='\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);
}

作者:王革非 王屹 孔庆彦

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