基于uClinux的GPSOne/GPS双定位信息接收

摘要 阐述uClinux串口编程的基本方法；简要介绍操作系统的几种I/O模型，特别对基于select的I/O复用模型在监听多个设备时的适用性进行较详细的分析；比较多个串口下使用轮询方法和使用select机制处理的差别；结合GPSOne与GPS双定位导航系统的实例，给出双串口定位信息接收的软件实现方法。
关键词 GPSGPSOneselectI/O复用串口

　　GPS是当前在导航系统中应用最广泛的定位技术之一,但GPS也有其自身的不足。例如，当GPS终端在建筑密集的地方或在高架桥底下等恶劣的地理位置时，定位信号比较容易丢失，往往难以获取有效的定位信息。由美国高通公司开发的GPSOne定位模块，提供的定位信号是基于网络与蜂窝的定位技术。即使在卫星信号不好的情况下，只要存在联通的网络信号，利用蜂窝定位技术，就可以较容易地获得定位信号。此信号可作为GPS信号丢失情况下的一种补偿信号。

　　GPSOne是传统GPS定位技术与CDMA网络技术巧妙结合的混合型定位技术，即GPSOne=AGPS+AFLT+CellID。它是第一种可以在室内稳定工作的基于GPS技术的解决方案，是唯一商用的GPS定位解决方案，同时也是目前世界上最经济有效的集成型无线GPS解决方案。利用GPSOne能够弥补GPS自身不足的这一特点，本导航系统的定位信息获取模块采用GPS和GPSOne双定位方案，以实现更精确、可靠的定位。该定位信息获取模块的硬件架构是ARM+GPS+GPSOne；CPU采用Philips公司LP系列的LPC2210的ARM7芯片，操作系统采用uClinux。本系统获取定位信息的关键，在于编写好串口通信程序，从而更好地实时接收和处理当前的位置信息。由于系统功能较为复杂，需要实现GUI界面交互、定位、报警、数据库查询、语音提示等多项功能，故对串口数据的接收，利用I/O复用机制进行处理更利于系统实现和管理。

1  uClinux串口编程操作方法

　　在Linux中，设备分为3类：字符设备、块设备和网络设备。uClinux用设备文件表示大部分I/O设备。文件系统提供了统一的接口来访问一般意义上的文件和设备文件。

　　系统串口COM1与COM2，分别对应uClinux系统的/dev/ttyS0、/dev/ttyS1两个串口设备文件。串口属于字符型设备，对串口的编程也就是对相应文件进行读/写、控制等操作。串口编程的基本步骤是：先打开串口，设置串口属性，然后进行收发数据，最后关闭串口。

（1）  打开串口
　　通过使用标准的文件打开函数open，达到访问串口设备驱动的目的。例如，以读写的方式打开串口1，可用下面的方法实现：
　　fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR);

（2）  设置串口属性
　　主要是设定结构体termios各成员的值。基本设置包括：波特率、数据位、校验位、停止位、输入和输出模式等。一般在设置时，先获取系统已有的串口属性，并在它的基础上进行修改。另外，设置时要用到系统预定义的宏。
　　（结合实例的说明略。——编者注）

（3）  收发数据
　　uClinux下串口发送和接收数据，通过使用文件操作中的read和write的方法来实现。例如：

　　write(fd, buffer ,Length);
　　read(fd, buffer ,Length);

（4）  关闭串口
　　关闭串口只须关闭已打开的串口文件描述符，如close(fd) ;

2  常用的几种I/O模型

　　通常在操作I/O时，会用到下面几种模型之一：阻塞型I/O、非阻塞型I/O和复用型I/O。下面以读取串口数据为例，简要说明它们的基本工作原理和特点。

2.1  阻塞型I/O

　　顾名思义，它以阻塞方式操作I/O，如图1所示。若一个进程以阻塞方式调用read函数读取串口数据，则该进程会一直睡眠在read系统调用上。此时系统内核会一直等待数据，直到串口有数据到达为止。当串口数据准备好后，内核就把数据从内核拷贝至用户空间；而当数据拷贝完成后，才唤醒串口读取进程，通知它读取数据报。

图1  阻塞I/O模型

2.2  非阻塞I/O

　　图2中，在非阻塞I/O模型下，I/O操作是即时完成的。当进程调用read函数时，设置了O_NONBLOCK标志，那么即使串口没有数据可读，read函数也会立即返回。此时其返回值为EAGAIN，表明串口数据未就绪。如果串口有数据可读，则read函数会读取该数据，并返回所读数据的长度。通常轮询I/O的方法就是采用这种模型来读取串口数据的，此时进程必须通过反复调用来检测是否有数据可读。如果轮询频率过低，则容易丢失数据；轮询频率过高，则占用太多处理器的处理周期。

图2  非阻塞I/O模型

2.3  I/O复用

　　上述两种I/O模型，是最常用的两种操作I/O的方式；但在面向较复杂、需要处理多个I/O的系统时，这两种模型存在着不足之处。例如：在应用进程中需要对多个I/O设备进行监听，当某个设备可读或可写时，进程能马上得知，并进行相关处理。这时若采用阻塞方式操作I/O，则进程会阻塞在某个设备的I/O读写操作上而不能适用于这种情况；若采用非阻塞方式，则往往需要定时或循环地探测所有设备，才作相应处理，这种作法相当耗费系统中央处理器的执行周期。可见，上述的两个I/O模型都不能满足这类应用，故此需要引入一种特别的I/O处理机制，即I/O复用。

　　所谓I/O复用，是指当一个或多个I/O条件（可读、能写或出现异常）满足时，进程能立即知道，从而正确并高效地对它们进行处理。

　　在uClinux下，系统提供select函数和poll函数，用来支持I/O复用的实现。如图3所示，若使用select的系统调用来查询是否有数据可读时，进程是在等待多个I/O描述接口的任一个变为可读，但此期间并不阻塞进程。当有数据报已准备好时，返回可读条件，并通知进程再次进行系统调用准备读取相应的I/O数据。此时内核就开始拷贝准备好的数据至用户空间，并返回指示进程处理数据报。

图3  I/O复用模型

　　与上面提及的两种I/O模型不同的是：在这个处理过程中，使用了两次系统调用来达到读取数据的目的。虽然两次系统调用的开销似乎更大，但它的最大好处在于能同时等待多个描述符准备好。因此select调用功能更多地是借助了内核来监听I/O设备描述符的。下面具体介绍select函数的功能及应用。

3  uClinux中基于select的I/O复用机制和工作原理

　　在系统存在多个输入或输出流但不希望其中任一个流被阻塞的场合，经常使用复用I/O的方法解决。uClinux中，用户程序多使用select机制实现I/O复用控制，select函数允许进程对一个或多个设备文件进行非阻塞的读或写操作。

　　select的函数定义于<unistd.h>中，原型如下：

　　int select(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

　　该函数允许进程指示内核等待多个事件中的任一个发生，并仅在一个或多个事件发生或经过某指定的时间后才唤醒进程。该函数的第1个参数n表示文件描述符集合中最大值再加1；第2个参数readfds，表示可读的文件描述符集合，用于查看是否有可读取数据；第3个参数writefds表示可写的文件描述符集合，用于查看是否能写入数据；第4个参数exceptfds用于异常控制；最后一个参数timeout决定了select将会阻塞多久才把控制权移交给调用它的进程。调用select之前，必须对此参数进行初始化。若timeout值为0，则select直接返回0。此时I/O操作没有等待就立即返回，相当于一种非阻塞I/O的调用。

　　在应用中，通常先调用select查看哪个I/O设备可读/写。如果没有可读/写的设备，并且没有设置超时返回功能，那么进程将阻塞在select调用上；如果有，则select函数返回，紧接着可通过测试参数readfds和writefds来确定哪个I/O设备可读或能写，而后以非阻塞方式操作该I/O设备，从而实现期望功能。

　　在实现select应用的过程中，还会使用到这些select相关接口：

　　void FD_ZERO(fd_set *fdset);
　　void FD_SET(int fd, fd_set *fdset);
　　void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset);
　　int FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset);

　　其中，fd_set表示设备文件描述符集合，fd表示设备文件描述符。FD_ZERO函数用于清除设备文件描述符集合所有元素；FD_SET函数用于把某个文件描述符添加至文件描述符集合；FD_CLR函数用于从文件描述符集合中删除某个文件描述符；而FD_ISSET用于检测设备文件描述符集合的某个文件描述符是否有效，有效则表示该位对应的设备有数据可读或可写。

4  轮询检测方法与select方法的比较

4.1  轮询检测方法

　　轮询检测方法是指对串口进行非阻塞的读写操作。当操作未成功时，让进程或线程挂起一段时间，然后再使用非阻塞调用来重新查询串口是否有可读/写数据。用此方法，相当于系统不断地对接收或者发送操作的执行结果进行探测，直到把数据发出去或者接收完成定量的数据，才退出此轮询循环。而对于接收与发送不确定哪个时刻会到达的情况，即随机性比较高的读/写操作，采用轮询方法会造成CPU资源浪费。如果轮询频率过低，则会使系统少接收一部分数据或接收过慢；反之，则接收方会因为等待太久而不能接收更多新的数据。轮询频率过高的情况，会让CPU过度频繁地查询串口状态，造成过多的耗用CPU执行周期，降低其利用率。

4.2  select机制能充分利用系统时间的原因

　　与频繁调用非阻塞读写函数来轮询监听I/O的方法相比， select调用允许用户把进程本身挂起来，同时使系统内核监听所要求的一组文件描述符的任何活动。只要确认在任何被监控的文件描述符上出现活动，select调用将返回指示该设备文件已经准备好的信息。这样就使进程能相对实时地监测到I/O设备上随机的变化，而不必由进程本身去探测输入数据是否准备好。

5  利用select I/O的机制实现GPS与GPSOne数据的接收

　　本文提出的基于GPS与GPSOne信号的双定位的解决方案，即对系统两个串口定位信号的监听与处理，充分利用uClinux下基于Select的I/O复用机制，更利于较复杂系统的控制和管理。

　　方案实现的程序流程如图4所示。

图4  双定位信息获取的程序流程

　　以下代码为使用Select I/O机制接收GPS信息和GPSOne信息的软件实现：

　　int Maxfd = fd_gps>fd_gpsOne? fd_gps: fd_gpsOne;//得到串口描述符中较大的一个
　　struct timeval tv;//定义超时控制结构
　　fd_set fds; //文件描述符集合变量
　　tv.tv_sec = 5;//设定超时值 5 s
　　tv.tv_usec = 0;
　　while(1){//通过GPSOne串口，发送GPSOne定位请求
　　　　Rt = send_port (fd_gpsone, "AT+GPSSTRT ", strlen("AT+GPSSTRT ");
　　　　if (Rt) == -1)
　　　　　　printf("Error happened!");
　　　　FD_ZERO (&fds);//初始化文件描述符集合
　　　　FD_SET(*fd_gps, &fds);//设置文件描述符集合的相应位
　　　　FD_SET(fd_gpsOne, &fds);//使用select，让内核开始监听GPSOne和GPS串口设备
　　　　fd_sel = select((Maxfd)+1, &fds_gps, NULL, NULL, &tv);
　　　　if (fd_sel < 0){
　　　　　　printf("Error happened while receiving gps data. ");}
　　　　else if (FD_ISSET(*fd_gps, &fds)){//若GPS串口设备有数据可读
　　　　　　recv_len = recv_port(fd_gps, buf, 254);
　　　　　　if (recv_len > 0){
　　　　　　　　memcpy (gps_info, buf, recv_len);//信息保存到
　　　　　　　　gps_info数组中gps_info_process(gps_info);//解析定位信息处理
　　　　　　}
　　　　}
　　　　else if (FD_ISSET(*fd_gpsOne, &fds)){//若GPSOne串口设备有数据可读
　　　　　　recv_len = recv_port(*fd_gpsOne, buf, 254);
　　　　　　if (recv_len > 0){memcpy (gpsOne_info, buf, recv_len); //信息保存到gpsOne_info数组中
　　　　　　gpsOne_info_process(gpsOne_info);//解析定位信息处理
　　　　　　}
　　　　}
　　　　sleep(1);
　　}

6  设计总结

　　本文详细说明了串口编程的基本方法和步骤，并提出一种基于select的I/O复用机制处理多个串口信息的方案，同时给出这种方案的具体实现。此方案具有较高的可靠性，保证了多个串口的信息可以很好地被接收和处理，而且不相互干扰，利于系统更好地管理多个文件设备。特别是在数据采集和数据传输领域中，select利用内核同时监听多个设备描述符机制，可以被广泛地应用于嵌入式系统多路I/O采集的设计中。

参考文献

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