C语言串口通信流控实操：硬件与软件流控策略全解析

# 1. C语言串口通信基础

## 1.1 C语言串口通信简介

串口通信是计算机与外部设备之间最传统的通信方式之一。在嵌入式系统和许多老旧的计算机系统中，串口通信仍然扮演着重要角色。C语言因其接近硬件层的操作能力和灵活性，经常被用来开发串口通信程序。通过C语言，开发者可以灵活地控制数据的发送和接收，处理各种通信协议和异常。

## 1.2 串口通信的工作原理

串口，也称为RS-232接口，是一种常见的串行通信标准。它通过串行数据线（通常为TX和RX）以位的形式逐个传输数据。由于数据是顺序发送的，因此需要双方约定好速率（波特率）、数据位、停止位和校验位等参数，以确保数据的一致性和准确性。

## 1.3 C语言中的串口通信

在C语言中进行串口通信，通常需要操作系统的支持。在Linux系统中，串口通信是通过打开特定的设备文件（如/dev/ttyS0）来实现的。而在Windows系统中，则需要使用WinAPI中的串口通信函数，比如`CreateFile`, `ReadFile`, `WriteFile`, `SetCommState`等。通过这些API，开发者能够配置串口参数，并进行数据的读写操作。

通过下面的代码块示例，我们可以看到如何在Linux系统中以阻塞方式打开串口，配置串口参数，以及发送和接收数据的基本操作：

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

int main() {
    int serial_port = open("/dev/ttyS0", O_RDWR);

    // 配置串口参数
    struct termios tty;
    memset(&tty, 0, sizeof(tty));
    if (tcgetattr(serial_port, &tty) != 0) {
        printf("Error from tcgetattr");
        return -1;
    }

    cfsetispeed(&tty, B9600);
    cfsetospeed(&tty, B9600);

    tty.c_cflag &= ~PARENB; // 清除校验位
    tty.c_cflag &= ~CSTOPB; // 使用1个停止位
    tty.c_cflag &= ~CSIZE; // 屏蔽其他位掩码
    tty.c_cflag |= CS8; // 使用8位数据位
    tty.c_cflag &= ~CRTSCTS; // 关闭硬件流控
    tty.c_cflag |= CREAD | CLOCAL; // 打开接收器，忽略modem控制线

    tty.c_lflag &= ~ICANON; // 关闭规范模式
    tty.c_lflag &= ~ECHO; // 关闭回显
    tty.c_lflag &= ~ECHOE; // 关闭回显擦除
    tty.c_lflag &= ~ECHONL; // 关闭换行回显
    tty.c_lflag &= ~ISIG; // 关闭信号字符

    tty.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY); // 关闭软件流控
    tty.c_iflag &= ~(IGNBRK | BRKINT | PARMRK | ISTRIP | INLCR | IGNCR | ICRNL); // 禁用特殊处理

    tty.c_oflag &= ~OPOST; // 关闭实现定义的输出处理
    tty.c_oflag &= ~ONLCR; // 关闭换行转回车换行

    // 应用配置
    if (tcsetattr(serial_port, TCSANOW, &tty) != 0) {
        printf("Error from tcsetattr");
        return -1;
    }

    // 写入数据到串口
    char msg[] = "Hello, Serial Port!";
    write(serial_port, msg, sizeof(msg));

    // 从串口读取数据
    char read_buf[256];
    int num_bytes = read(serial_port, &read_buf, sizeof(read_buf));
    printf("Read %i bytes. Received message: %s\n", num_bytes, read_buf);

    close(serial_port);
    return 0;
}

在本章中，我们介绍了C语言串口通信的基础知识，包括串口通信的基本概念和工作原理，以及C语言中进行串口通信的基本方法。接下来的章节中，我们将深入探讨硬件流控和软件流控的原理与应用，以及如何在C语言中实现这些流控机制。

# 2. 硬件流控原理与应用

## 2.1 硬件流控的概念和作用

### 2.1.1 硬件流控的基本原理

硬件流控（Hardware Flow Control，简称HFC）是一种通过使用额外的硬件信号线来控制数据流的机制。这种机制主要用于串口通信中，以防止数据丢失。当发送方的数据传输速率超过接收方处理数据的速率时，就会发生数据溢出。为了解决这个问题，硬件流控利用了RTS（Ready to Send）和CTS（Clear to Send）信号线。

RTS信号由发送设备控制，它表明发送设备已经准备好发送数据。当接收设备能够处理新数据时，它会激活CTS信号，表示它已经准备好接收数据。只有当CTS信号被激活时，发送设备才能发送数据。这种机制有效地避免了数据缓冲区溢出的风险。

### 2.1.2 硬件流控的信号线和接口标准

在RS-232标准中，硬件流控使用了两个信号线：RTS和CTS。为了实现硬件流控，这些信号线必须被正确地连接和配置。除了RTS和CTS，DTR（Data Terminal Ready）和DSR（Data Set Ready）信号线也常被用于其他类型的状态和控制信息。

在串口通信中，硬件流控的设置通常在串口的配置参数中进行。例如，在Linux系统中，可以使用`stty`命令来设置和查看串口参数，包括启用RTS/CTS流控：

stty -F /dev/ttyS0 crtscts

该命令将启用`/dev/ttyS0`设备的硬件流控。参数`crtscts`是启用硬件流控的常见设置，但根据不同的系统和驱动，可能需要不同的参数。

## 2.2 硬件流控的实现方法

### 2.2.1 使用RS-232标准实现硬件流控

RS-232是一种广泛使用的串行通信标准，它定义了信号的电气特性、信号线功能以及物理连接器等。为了使用RS-232实现硬件流控，必须正确配置和连接相关的信号线。

首先，确保硬件设备（如PC和外设）的串口都支持RTS/CTS信号线，并且这些线已经正确连接。然后，在软件层面配置串口参数，以启用硬件流控。在Windows系统中，可以使用`SetCommState`函数通过API进行配置：

#include <windows.h>

HANDLE hCommDev = CreateFile("COM1", GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, 0, 0, OPEN_EXISTING, FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, 0);
DCB dcbSerialParams = {0};
dcbSerialParams.DCBlength = sizeof(dcbSerialParams);
GetCommState(hCommDev, &dcbSerialParams);
dcbSerialParams.fRtsControl = RTS_CONTROL_ENABLE;
dcbSerialParams.fOutxCtsFlow = TRUE;
SetCommState(hCommDev, &dcbSerialParams);

这段代码首先打开COM1串口，然后获取其当前的串口配置到`DCB`结构体中。之后修改该结构体中的`fRtsControl`和`fOutxCtsFlow`选项来启用硬件流控，并将修改后的配置应用到串口。

### 2.2.2 其他硬件流控标准与应用案例

除了RS-232，还有其他硬件流控标准，比如RS-485和RS-422等。这些标准通常用于工业环境中，支持更长距离的数据传输和更强的噪声抑制能力。这些标准同样使用RTS/CTS机制来实现硬件流控，但会涉及不同的电气特性和接口。

在应用案例方面，工业自动化是一个常见的硬件流控使用场景。例如，数控机床控制、传感器数据收集等需要可靠、无误差的数据通信，硬件流控能够显著提升数据传输的稳定性和可靠性。

下面的表格简要列出了不同硬件流控标准的特性：

| 标准 | 最大距离 | 传输速率 | 多点通信 | 环境抗干扰能力 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| RS-232 | 15米 | 20kbps-64kbps | 无 | 较弱 |
| RS-485 | 1200米 | 10Mbps | 支持 | 强 |
| RS-422 | 1200米 | 10Mbps | 不支持 | 强 |

硬件流控标准的选择取决于应用需求，比如传输距离、速率要求和抗干扰能力。开发者应根据实际项目需求，选择合适的标准和配置方法。

## 2.3 硬件流控在C语言中的编程实践

### 2.3.1 基于Linux下的硬件流控编程

在Linux系统中，可以使用C语言结合系统调用和串口编程接口实现硬件流控。Linux下的串口编程通常依赖于`termios`结构体来配置串口属性。以下是一个配置串口并启用RTS/CTS流控的示例：

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

int main() {
    int serial_fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);
    if (serial_fd == -1) {
        perror("open_port: Unable to open /dev/ttyS0 - ");
        return -1;
    }
    struct termios options;
    tcgetattr(serial_fd, &options);

    // 设置输入输出波特率、字符大小等
    cfsetispeed(&options, B9600);
    cfsetospeed(&options, B9600);
    options.c_cflag &= ~CSIZE; // Mask the character size bits
    options.c_cflag |= CS8; // 8-bit chars
    options.c_cflag &= ~PARENB; // No parity bit
    options.c_cflag &= ~CSTOPB; // 1 stop bit
    options.c_cflag &= ~CRTSCTS; // Disable RTS/CTS hardware flow control
    options.c_cflag |= CREAD | CLOCAL; // Turn on READ & ignore ctrl