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C語言實現串行通信接口程序
摘 要 本文說明了異步串行通信(RS-232)的工作方式，探討了查詢和中斷兩種軟件接口利弊，并給出兩種方式的C語言源程序。的I/O通道之一，以最簡單方式組成的串行雙工線路只需兩條信號線和一條公共地線，因此串行通信既有線路簡單的優點同時也有它的缺點，即通信速率無法同并行通信相比，實際上EIA RS-232C在標準條件下的最大通信速率僅為20Kb/S。
盡管如此，大多數外設都提供了串行口接口，尤其在工業現場RS-232C的應用更為常見。IBM PC及兼容機系列都有RS-232的適配器，操作系統也提供了編程接口，系統接口分為DOS功能調用和BIOS功能調用兩種：DOS INT 21H的03h和04h號功能調用為異步串行通信的接收和發送功能；而BIOS INT 14H有4組功能調用為串行通信服務，但DOS和BIOS功能調用都需握手信號，需數根信號線連接或彼此間互相短接，最為不便的是兩者均為查詢方式，不提供中斷功能，難以實現高效率的通信程序，為此本文采用直接訪問串行口硬件端口地址的方式，用C語言編寫了串行通信查詢和中斷兩種方式的接口程序。
1.串行口工作原理
微機串行通信采用EIA RS-232C標準，為單向不平衡傳輸方式，信號電平標準±12V，負邏輯，即邏輯1(MARKING)表示為信號電平-12V，邏輯0(SPACING)表示為信號電平+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，平時線路保持為1，傳送數據開始時，先送起始位(0),然后傳8(或7，6，5)個數據位(0，1)，接著可傳1位奇偶校驗位，最后為1～2個停止位(1)，由此可見，傳送一個ASCII字符(7位)，加上同步信號最少需9位數據位。
@@T8S12300.GIF;圖1@@
串行通信的工作相當復雜，一般采用專用芯片來協調處理串行數據的發送接收，稱為通用異步發送/接收器(UART)，以節省CPU的時間，提高程序運行效率，IBM PC系列采用8250 UART來處理串行通信。
在BIOS數據區中的頭8個字節為4個UART的端口首地址，但DOS只支持2個串行口：COM1(基地址0040：0000H)和COM2(基地址0040：0002H)。8250 UART共有10個可編程的單字節寄存器，占用7個端口地址，復用地址通過讀/寫操作和線路控制寄存器的第7位來區分。這10個寄存器的具體功能如下：
COM1(COM2) 寄存器
端口地址 功能 DLAB狀態
3F8H(2F8H) 發送寄存器(寫) 0
3F8H(2F8H) 接收寄存器(讀) 0
3F8H(2F8H) 波特率因子低字節 1
3F9H(2F9H) 波特率因子高字節 1
3F9H(2F9H) 中斷允許寄存器 0
3FAH(2FAH) 中斷標志寄存器
3FBH(2FBH) 線路控制寄存器
3FCH(2FCH) MODEM控制寄存器
3FDH(2FDH) 線路狀態寄存器
3FEH(2FEH) MODEM狀態寄存器
注：DLAB為線路控制寄存器第七位在編寫串行通信程序時，若采用低級方式，只需訪問UART的這10個寄存器即可，相對于直接控制通信的各個參量是方便可靠多了。其中MODEM控制/狀態寄存器用于調制解調器的通信控制，一般情況下不太常用；中斷狀態/標志寄存器用于中斷方式時的通信控制，需配合硬件中斷控制器8259的編程；波特率因子高/低字節寄存器用于初始化串行口時通信速率的設定；線路控制/狀態寄存器用于設置通信參數，反映當前狀態；發送/接收寄存器通過讀寫操作來區分，不言而喻用于數據的發送和接收。
UART可向CPU發出一個硬件中斷申請，此中斷信號接到中斷控制器8259，其中COM1接IRQ4(中斷OCH)，COM2接IRQ3(中斷OBH)。用軟件訪問8259的中斷允許寄存器(地址21H)來設置或屏蔽串行口的中斷，需特別指出的是，設置中斷方式串行通信時，MODEM控制寄存器的第三位必須置1，此時CPU才能響應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為查詢通信方式接口程序，為一典型的數據采集例程。其中bioscom()函數初始化COM1(此函數實際調用BIOS INT 14H中斷0號功能)。這樣在程序中就避免了具體設置波特率因子等繁瑣工作，只需直接訪問發送/接收寄存器(3F8H)和線路狀態寄存器(3FDH)來控制UART的工作。線路狀態寄存器的標志內容如下：
第0位 1=收到一字節數據
第1位 1=所收數據溢出
第2位 1=奇偶校驗錯
第3位 1=接收數據結構出錯
第4位 1=斷路檢測
第5位 1=發送保存寄存器空
第6位 1=發送移位寄存器空
第7位 1=超時
當第0位為1時，標志UART已收到一完整字節，此時應及時將之讀出，以免后續字符重疊，發生溢出錯誤，UART有發送保持寄存器和發送移位寄存器。發送數據時，程序將數據送入保持寄存器(當此寄存器為空時)，UART自動等移位寄存器為空時將之寫入，然后把數據轉換成串行形式發送出去。
本程序先發送命令，然后循環檢測，等待接收數據，當超過一定時間后視為數據串接收完畢。若接收到數據后返回0，否則返回1。
若以傳送一個ASCII字符為例，用波特率9600 b/s，7個數據位，一個起始位，一個停止位來初始化UART，則計算機1秒可發送/接收的最大數據量僅為9600/9=1074字節，同計算機所具有的高速度是無法相比的，CPU的絕大部分時間耗費在循環檢測標志位上。在一個有大量數據串行輸入/輸出的應用程序中，這種消耗是無法容忍的，也不是一種高效率通信方式，而且可以看到，在接收一個長度未知的數據串時，有可能發生遺漏。
程序2是一組中斷方式通信接口程序。微機有兩條用于串行通信的硬件中斷通道IRQ3(COM2)和IRQ4(COM1)，對應中斷向量為OBH和OCH，可通過設置中斷屏蔽寄存器(地址21H)來開放中斷。置1時屏蔽該中斷，否則開放中斷。硬件中斷例程必須在程序末尾往中斷命令寄存器(地址20H)寫入20H，即
MOV AL， 20H
OUT 20H， AL用以將當前中斷服務寄存器清零，避免中斷重復響應。
每路UART有4組中斷，程序可通過中斷允許寄存器(3F9H)來設置開放那路中斷。這4組中斷的位標志如下：
第0位 1=接收到數據
第1位 1=發送保持寄存器為空
第2位 1=接收數據出錯
第3位 1=MODEM狀態寄存器改變
第4～7位為0
在中斷例程中檢查UART的中斷標志寄存器(3FAH)，確定是哪一組事件申請中斷。該寄存器第0位為0時表示有中斷申請，響應該中斷并采取相應措施后，UART自動復位中斷標志；第2，1位標志中斷類型，其位組合格式如下：代碼 中斷類型 復位措施11接收出錯讀線路狀態寄存器10接收到數據讀接收寄存器01發送寄存器空輸出字符至發送寄存器00MODEM狀態改變讀MODEM狀態寄存器這4組中斷
的優先級為0號最低，3號最高。
在本組程序中，函數setinterrupt()和clearinterrupt()設置和恢復串行通信中斷向量；cominit()初始化指定串行口并開放相應中斷；sendcomdata()和getcomeomdata()用于發送和接收數據串；com1()和com2()為中斷例程，二者均調用fax2()函數，fax2()函數為實際處理數據接收和發送的例程。明確了串行口的工作原理，就不難理解其具體程序。
3.結論
上述程序采用C語言編寫，在BORLAND C++2.0集成環境中調試通過，為簡單起見，只考慮了使用發送/接收兩條信號線的情況，并未考慮使用握手信號線。
在實際應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可改為循環表，以防數據溢出，盡可能保留最新數據。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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