基于uClinux的GPSOne/GPS双定位信息接收

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。



　　
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/r", strlen("AT+GPSSTRT/r");
　　　　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./n");}
　　　　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

[1] Kurt Wall. GNU/Linux编程指南[M].张辉，译. 北京：清华大学出版社,2005.
[2] Richard Stevens W. UNIX网络编程[M]. 第2版. 第1卷·套接口API和X/Open传输接口API.北京：清华大学出版社,1998：121131.
[3] 马忠梅,李善平,康慨,等. ARM&Linux嵌入式系统教程[M].北京：北京航空航天大学出版社,2005:255261.