Linux的TTY子系统(TTY框架)的重要结构体termios的详解(串口通信参数的配置)

news/2025/3/27 5:07:46

前言

通常，我们开发串口驱动和应用时，就是以Linux的TTY子系统(TTY框架)为基础进行的，而TTY子系统(TTY框架)的结构体termios就与串口通信参数的配置紧密相关，所以这篇博文就对结构体termios进行详解。

struct termios 是 Linux TTY（终端）子系统 用于配置串口终端设备的结构体，位于 <termios.h> 头文件中。

它用于 设置串口通信参数，如波特率、数据位、校验位、控制模式等。

1. termios结构体的定义

struct termios {
    tcflag_t c_iflag;     /* 输入模式标志 */
    tcflag_t c_oflag;     /* 输出模式标志 */
    tcflag_t c_cflag;     /* 控制模式标志 */
    tcflag_t c_lflag;     /* 本地模式标志 */
    cc_t c_cc[NCCS];      /* 控制字符 */
    speed_t c_ispeed;     /* 输入波特率 */
    speed_t c_ospeed;     /* 输出波特率 */
};
  • tcflag_t：无符号整数类型，存储 模式标志
  • cc_t：char 类型，存储 特殊控制字符
  • speed_t：存储 波特率

2. termios结构体的字段解析

(1) c_iflag：输入模式标志

控制串口接收数据时的处理方式。

#define IGNBRK  0x00000001  // 忽略 BREAK 信号
#define BRKINT  0x00000002  // 产生 SIGINT 信号
#define ICRNL   0x00000100  // 将 CR 转换为 NL（回车 -> 换行）
#define IGNPAR  0x00000004  // 忽略奇偶校验错误
#define INLCR   0x00000200  // 将 NL 转换为 CR（换行 -> 回车）
#define INPCK   0x00000010  // 使能奇偶校验
#define ISTRIP  0x00000020  // 剥离第 8 位（只保留低 7 位）

关于选项值IGNBRK、BRKINT的详细介绍见我的另一篇博文：https://blog.csdn.net/wenhao_ir/article/details/146190068

示例

options.c_iflag &= ~(ICRNL | INPCK);  // 关闭回车转换和奇偶校验

(2) c_oflag：输出模式标志

控制数据从串口发送时的处理方式。

#define OPOST  0x00000001  // 使能输出处理
#define ONLCR  0x00000002  // 将换行符 NL 转换为回车换行 CR-NL

示例

options.c_oflag &= ~OPOST;  // 关闭输出处理（原始模式）

(3) c_cflag：控制模式标志

控制 波特率、数据位、校验位、停止位

#define CSIZE   0x00000300  // 选择数据位掩码
#define CS5     0x00000000  // 5 数据位
#define CS6     0x00000100  // 6 数据位
#define CS7     0x00000200  // 7 数据位
#define CS8     0x00000300  // 8 数据位（常用）

#define CSTOPB  0x00000400  // 2 停止位（默认 1 停止位）
#define CREAD   0x00000800  // 使能接收器
#define PARENB  0x00001000  // 使能校验
#define PARODD  0x00002000  // 奇校验（默认偶校验）
#define CLOCAL  0x00004000  // 忽略调制解调器控制线

示例

options.c_cflag |= CLOCAL | CREAD;  // 使能本地控制和数据接收
options.c_cflag &= ~CSIZE; 
options.c_cflag |= CS8;  // 8 数据位

这里我要说明下字段值CLOCAL。要搞清楚这个字段值，你要知道并不是所有的串口都只有三根线，串口有两线模式、三线模式、九线模式，如下表所示：

串口类型使用的线描述
两线模式TXD、RXD只支持单向数据通信
三线模式TXD、RXD、GND标准的 UART 通信方式
九线模式TXD、RXD、GND、RTS、CTS、DTR、DSR、DCD、RI完整的 RS-232 Modem 连接

上面这个表格中所说的“完整的 RS-232 Modem 连接 ”，为什么里面有Modem，因为我们网络通信中用的调制解调器的信号接口就是RS-232串口，即RS-232串口最常见、最常用于调制解调器中，所以说“RS-232 Modem 连接”。

通常，嵌入式系统（如 IMX6ULL 开发板）使用的串口是三线制：

  • TXD（发送数据）
  • RXD（接收数据）
  • GND（地）

在三线制这种串口模式下，数据直接从一端的 TXD 传输到另一端的 RXD，不涉及 Modem 控制信号，因而 必须设置 CLOCAL(即忽略 DCD 信号)，否则 Linux 系统可能会等待 Modem 信号（DCD）而造成阻塞 open()。

CLOCAL 状态DCD（数据载波检测）作用适用场景
设置（CLOCAL=1）忽略 DCD 信号，串口随时可用直接设备通信（嵌入式 UART）
清除（CLOCAL=0）open() 可能会阻塞，等待 Modem 响应传统 RS-232 Modem 连接

九线制这种串口模式的各引脚信号介绍下：

信号名方向功能
TXD (Transmit Data)设备 → Modem发送数据
RXD (Receive Data)Modem → 设备接收数据
GND (Ground)-参考地
RTS (Request to Send)设备 → Modem设备请求发送数据
CTS (Clear to Send)Modem → 设备Modem 允许设备发送数据
DTR (Data Terminal Ready)设备 → Modem设备准备就绪
DSR (Data Set Ready)Modem → 设备Modem 设备准备就绪
DCD (Data Carrier Detect)Modem → 设备Modem 发现远程连接
RI (Ring Indicator)Modem → 设备有来电时 Modem 拉高此信号

此时，如果 CLOCAL 关闭，Linux TTY 子系统会监听 DCD（数据载波检测） 信号，只有当 Modem 端 DCD 变为高电平时，open("/dev/ttyS0") 才会成功，否则可能会阻塞。

(4) c_lflag：TTY终端的本地输入处理方式

c_lflag（本地模式标志）字段用于控制 Linux TTY（终端）子系统 的本地输入处理方式。它的主要作用是影响终端如何处理 行编辑、信号、回显 等功能。

#define ECHO    0x00000008  // 使能回显
#define ECHOE   0x00000010  // 擦除时回显
#define ICANON  0x00000002  // 启用规范模式（行缓冲模式）
#define ISIG    0x00000001  // 使能信号处理（如 `Ctrl+C` 触发 SIGINT）

以上配置值的详细解释如下：

字段解析

宏定义值作用
ECHO0x08输入字符时回显到终端，即在屏幕上显示用户输入内容
ECHOE0x10启用 ERASE（退格）字符的回显，即按 Backspace 时，光标回退并删除字符
ICANON0x02启用规范模式（Canonical Mode），即输入按 行缓冲 处理，需要 Enter 确认输入
ISIG0x01使能信号处理，如 Ctrl+C 触发 SIGINT，Ctrl+Z 触发 SIGTSTP

详细解析
1. ECHO（回显输入）

  • 使能 ECHO 后，终端会显示用户输入的字符，适用于一般交互式终端（如 bash）。
  • 关闭 ECHO 时，用户输入不会回显（如输入密码时 sudo 命令隐藏输入）。

示例：

struct termios options;
tcgetattr(fd, &options);
options.c_lflag &= ~ECHO;  // 禁用回显（输入不可见）
tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);

应用场景：

  • 关闭回显：sudo、passwd 命令的密码输入
  • 开启回显：默认的终端输入

2. ECHOE（回显擦除）

  • 仅在 ICANON 开启 时生效（行缓冲模式）。
  • 启用 ECHOE 后：
    • 按 Backspace (ERASE 控制字符) 时，会删除屏幕上最后一个字符。
    • 光标会回退，使用户可见删除效果。
  • 若 ECHOE 关闭，则 Backspace 只会在缓冲区中删除字符，但不会在屏幕上反映删除效果。

示例：

struct termios options;
tcgetattr(fd, &options);
options.c_lflag |= ECHOE;  // 使能退格回显
tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);

应用场景：

  • 终端文本编辑，Backspace 可见删除字符

3. ICANON（规范模式）

  • 开启（默认）：
    • 行缓冲：用户输入会被缓冲，直到按 Enter（\n）才会发送到程序处理。
    • 支持行编辑：Backspace、Ctrl+U（清除行）等可用。
  • 关闭（原始模式）：
    • 字符缓冲：每输入一个字符就立即发送到程序（常用于 vim、ssh 等终端应用）。
    • 不支持行编辑：退格不会删除字符，输入不可编辑。

示例：

struct termios options;
tcgetattr(fd, &options);
options.c_lflag &= ~ICANON;  // 关闭规范模式，启用原始模式
tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);

应用场景：

  • 规范模式：终端交互（bash 命令行）
  • 原始模式：vim、nano、游戏程序（即时处理键盘输入）

4. ISIG（启用信号）

  • 使能 ISIG 后，终端会解析特殊控制字符：
    • Ctrl+C → 发送 SIGINT 终止进程
    • Ctrl+Z → 发送 SIGTSTP 暂停进程
    • Ctrl+\ → 发送 SIGQUIT 终止进程并生成 core dump
  • 关闭 ISIG 后，这些快捷键不再生效，程序不会因为 Ctrl+C 退出。

示例：

struct termios options;
tcgetattr(fd, &options);
options.c_lflag &= ~ISIG;  // 关闭信号处理
tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);

应用场景：

  • 启用 ISIG：正常的 bash 终端，可以使用 Ctrl+C 终止进程。
  • 禁用 ISIG：
    • 交互式程序不希望 Ctrl+C 退出（如 Vim）。
    • 游戏程序或某些嵌入式系统防止误操作。

表格总结

标志位作用关闭后的影响
ECHO用户输入字符时会回显输入不可见（如密码输入）
ECHOEBackspace 退格时删除并回显退格仍可删除字符，但不会回显
ICANON行缓冲模式，Enter 提交输入变为字符缓冲模式，每个字符立刻传递
ISIGCtrl+C、Ctrl+Z 触发信号这些快捷键失效，不会终止进程

常见应用

  1. 关闭回显（密码输入）：
    options.c_lflag &= ~ECHO;
  2. 关闭规范模式（即时输入）：
    options.c_lflag &= ~ICANON;
  3. 禁用 Ctrl+C 终止进程：
    options.c_lflag &= ~ISIG;
  4. 启用 Backspace 退格回显：
    options.c_lflag |= ECHOE;

小结

  • ECHO：控制输入字符是否回显。
  • ECHOE：控制 Backspace 时是否回显删除。
  • ICANON：控制是否 逐行缓冲（规范模式）。
  • ISIG：控制是否解析 特殊终端信号（Ctrl+C、Ctrl+Z 等）。

(5) c_cc[NCCS]：特殊控制字符

存储特殊控制字符（如 EOF、ERASE、VINTR）。

options.c_cc[VMIN]  = 1;  // 最少读取 1 字节才返回
options.c_cc[VTIME] = 0;  // 读取超时时间（0 = 不超时）
  • VMIN：最小读取字节数
  • VTIME：超时时间（单位：1/10 秒）

(6) c_ispeed / c_ospeed：输入/输出波特率

设置串口的收发速率。

#define B9600    9600
#define B115200  115200

示例

cfsetispeed(&options, B115200);  // 设置输入波特率为 115200
cfsetospeed(&options, B115200);  // 设置输出波特率为 115200

3. 代码示例

以下是一个串口初始化的示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <termios.h>

int set_serial(int fd) {
    struct termios options;

    // 1. 获取当前配置
    if (tcgetattr(fd, &options) != 0) {
        perror("tcgetattr error");
        return -1;
    }

    // 2. 设置波特率
    cfsetispeed(&options, B115200);
    cfsetospeed(&options, B115200);

    // 3. 配置控制模式
    options.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD); // 本地连接, 使能接收
    options.c_cflag &= ~CSIZE;
    options.c_cflag |= CS8; // 8 数据位
    options.c_cflag &= ~PARENB; // 无校验
    options.c_cflag &= ~CSTOPB; // 1 停止位

    // 4. 配置输入输出模式
    options.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY); // 关闭软件流控
    options.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG); // 关闭规范模式
    options.c_oflag &= ~OPOST; // 关闭输出处理

    // 5. 设置超时
    options.c_cc[VMIN]  = 1;
    options.c_cc[VTIME] = 0;

    // 6. 刷新缓冲区并应用配置
    tcflush(fd, TCIFLUSH);
    if (tcsetattr(fd, TCSANOW, &options) != 0) {
        perror("tcsetattr error");
        return -1;
    }

    return 0;
}

int main() {
    int fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR | O_NOCTTY);
    if (fd < 0) {
        perror("open serial port error");
        return -1;
    }

    if (set_serial(fd) == 0) {
        printf("Serial port configured successfully\n");
    }

    close(fd);
    return 0;
}

4.总结

✅ struct termios 是 TTY 子系统 用于配置串口/终端设备的核心结构体
✅ 主要字段：

  • c_iflag：输入模式（如奇偶校验）
  • c_oflag：输出模式（如换行转换）
  • c_cflag：控制模式（如数据位、校验位、停止位）
  • c_lflag：本地模式（如规范模式）
  • c_cc[]：特殊控制字符（如 VMIN、VTIME）
  • c_ispeed / c_ospeed：波特率设置

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