C++ 串口连接

在 C++ 中连接到串口是涉及硬件通信的应用程序中的常见需求，例如与传感器、调制解调器或嵌入式系统接口。串行通信允许数据一次一个比特地通过通信通道传输，因此非常适合简单、低速的数据传输。

在 C++ 中，可以使用特定于系统的 API 或第三方库来实现这一点。对于 Windows，Windows API 提供了一套完整的函数来处理串行端口通信。这包括包含必要的头文件（'windows.h'），使用 'CreateFile' 打开串行端口，使用 'DCB'（设备控制块）结构配置端口设置（波特率、校验位、停止位等），以及使用 'ReadFile' 和 'WriteFile' 处理读写操作。错误处理和端口状态检查也是实现的关键部分。

在类 Unix 系统（如 Linux 和 macOS）上，串行通信通过 POSIX 标准函数来实现。该过程通常始于使用 open 系统调用打开串行端口，其中端口使用 O_RDWR 等标志进行配置，以进行读写访问，O_NOCTTY 以确保它不是控制终端，并使用 O_SYNC 进行同步 I/O 操作。

打开后，将使用 termios 结构来设置波特率、字符大小、校验位和流控制等属性，方法是使用 tcgetattr 和 tcsetattr 等函数。然后使用 read 和 write 系统调用传输数据，这些系统调用负责在串行连接上传输和接收数据。根据应用程序的需求，可以使用 fcntl 设置 O_NONBLOCK 标志将端口配置为非阻塞模式，从而允许并发数据处理，而无需等待每个读写操作完成。

对于寻求跨平台兼容性和更高级抽象的开发人员来说，Boost.Asio 等第三方库提供了 C++ 中串行端口通信的全面解决方案。Boost.Asio 抽象了底层 POSIX 细节，提供了一个统一的接口，支持同步和异步通信范例。该库简化了打开串行端口、配置参数和管理数据传输等操作，确保应用程序可以无缝地部署在不同的操作系统上，而无需重写特定于平台的代码。

理解 C++ 中的串行通信需要熟悉这些特定于系统的 API，以便精确控制硬件交互并优化性能。直接使用 POSIX 函数可以对配置和行为进行细粒度控制，这对于性能和底层控制至关重要的专用应用程序至关重要。另一方面，利用 Boost.Asio 等第三方库可以通过在不同平台之间提供一致的 API 来简化开发，从而减少开发时间和复杂性，尤其对于需要跨平台支持的应用程序而言。这两种方法在 C++ 开发中都起着至关重要的作用，可根据项目需求和部署目标提供灵活性和效率。

方法-1：使用 POSIX 函数（类 Unix 系统）

POSIX（可移植操作系统接口）函数是在 **类 Unix 操作系统**（如 Linux 和 macOS）中使用的标准化 C 库函数。它们提供了一种强大而灵活的方式来进行串行端口通信，使应用程序能够读取和写入串行端口。

POSIX 定义了一组 **系统调用** 和库函数来管理串行端口通信，允许开发人员配置和控制串行端口。这些函数是 termios API 的一部分，该 API 提供了配置终端 **I/O 特性** 的机制。通过使用 POSIX 函数，开发人员可以编写在各种类 Unix 系统上可移植的代码，确保广泛的兼容性。

程序

输出

 
Enter serial port name (e.g., /dev/ttyS1): xyz
Error opening xyz: No such file or directory

说明

该代码提供了一个基础示例，说明如何在类 Unix 系统上使用 POSIX 函数在 C++ 中实现基本的串行端口通信。它通过 **错误处理** 确保了鲁棒性，并通过用户输入进行配置来提供灵活性。可以进行调整以适应特定的串行设备或集成到更大的应用程序中。

• 头文件

iostream： 标准输入输出流处理。

cstring： 字符串操作函数。

unistd.h： POSIX 操作系统 API，包括文件操作。

fcntl.h： POSIX 文件控制选项。

termios.h： 用于设置串行端口属性的 POSIX 终端控制 API。

• 函数

openSerialPort： 以读写 (O_RDWR) 模式打开指定的串行端口（portname），并确保它不是 **控制终端** (O_NOCTTY)。O_SYNC 确保同步 I/O。

configureSerialPort： 使用指定的波特率 (baudrate) 配置串行端口 (fd)，并设置其他 **参数**，如数据位 (CS8)、无校验位 (PARENB | PARODD)、一个停止位 (CSTOPB)，并关闭硬件流控制 (CRTSCTS)。

readFromSerialPort： 将数据从串行端口 (fd) 读取到提供的缓冲区中，该缓冲区具有 **最大尺寸** size。

writeToSerialPort： 将数据从缓冲区写入串行端口 (fd)，指定大小为 size。

closeSerialPort： 关闭与文件描述符 (fd) 关联的串行端口。

这些函数共同处理 C++ 中串行通信的核心操作，促进串行端口的打开、配置 **、读取、写入** 和关闭。每个函数对于控制和与串行设备交互、确保正确的通信参数配置和可靠的数据传输都至关重要。

这种模块化方法使开发人员能够实现针对特定应用程序需求量身定制的可靠串行通信例程，无论是用于设备控制、数据采集还是 **通信协议。** 理解这些函数对于将串行通信功能有效地集成到 C++ 应用程序中至关重要，可提供类 Unix 系统上硬件交互的灵活性和控制。

• 主函数

提示用户输入串行端口名称（port name）和波特率（baud rate）。打开串行端口 **（openSerialPort）** 并进行配置（configureSerialPort）。提示用户输入要通过串行端口发送的消息（message）。

将消息写入 **串行端口**（writeToSerialPort），并将任何响应读回缓冲区（readFromSerialPort）。如果成功，则显示读取的数据。

错误处理

检查关键函数（如 open、tcgetattr、tcsetattr、read 和 write）的返回值。如果任何函数失败，则将 **相应的错误消息** 打印到 cerr（标准错误流）。在遇到错误时关闭 **串行端口**（closeSerialPort）以释放系统资源。

• POSIX 函数

该代码利用符合 POSIX 的函数（open、tcgetattr、tcsetattr、read、write、close）来管理串行端口通信。这些函数确保了在类 Unix 系统上的可移植性。

终端 I/O 设置： termios 结构（tty）用于配置终端 I/O 属性，如波特率、字符大小、校验位、停止位和流控制。这允许精确控制 **串行通信** 参数。

用户交互： 程序通过控制台输入（cin）与用户交互，以获取串行端口名称、波特率和要发送的消息。这使得应用程序具有交互性，并可适应不同的串行设备和配置。

• 用法和适配

编译： 在类 Unix 系统（例如 Linux 或 macOS）上使用 C++ 编译器进行编译，例如 g++ -o serial_comm serial_comm.cpp。

执行： 运行 **编译好的** 可执行文件 ./serial_comm，并按照提示进行交互式串行通信测试。

适配： 根据您的特定串行设备要求修改波特率、串行端口名称或缓冲区大小（char buffer[100] 中的 100）。

复杂度分析

理解这些复杂性有助于评估串行端口通信实现的效率和性能特征，有助于优化资源使用，并为各种嵌入式和 **通信系统** 设计健壮的应用程序。

时间复杂度分析

打开串行端口（openSerialPort 函数）

时间复杂度：O(1)

open 系统调用通常以恒定时间 **O(1)** 运行，因为它执行基本的文件描述符管理和检查，而无需迭代任何数据结构。

配置串行端口（configureSerialPort 函数）

时间复杂度：O(1)

设置串行端口的属性（tcsetattr）涉及更新 termios 结构，这是一个固定大小的数据结构。因此，此操作通常是 **O(1)**，因为它涉及恒定 **数量的操作**，而与正在设置的具体属性无关。

从串行端口读取（readFromSerialPort 函数）

时间复杂度：O(n)

read 系统调用将 n 字节数据从串行端口读入缓冲区。时间复杂度取决于读取的 **字节数 (n)**。该操作涉及等待 **数据到达**，这可能因外部因素（如数据速率和流控制设置）而异。

写入串行端口（writeToSerialPort 函数）

时间复杂度：O(n)

类似地，**write 系统调用** 将 n 字节数据写入串行端口。时间复杂度与要写入的字节数 (n) 成正比。该操作涉及将数据发送到 **串行端口**，这也可能取决于传输速度和流控制等因素。

关闭串行端口（closeSerialPort 函数）

时间复杂度：O(1)

close 系统调用通常以 **恒定时间 O(1)** 运行，因为它会释放与串行端口关联的文件描述符并执行必要的清理操作。

总体时间复杂度

**串行端口通信** 操作（open、configure、read、write、close）的整体时间复杂度主要取决于要读取或写入的数据量（n 字节）。对于读/写操作，它是 O(n)，而其他操作通常是 **O(1)**。

空间复杂度分析

文件描述符 (fd)

空间复杂度：O(1)

文件描述符 (fd) 是一个固定大小的整数，代表一个打开的文件或设备。无论对串行端口执行什么具体操作，其空间复杂度都是 **恒定的 O(1)**。

缓冲区大小

空间复杂度：O(B)

用于从串行端口读取 **（readFromSerialPort）** 和写入（writeToSerialPort）数据的缓冲区大小，其空间复杂度与缓冲区大小 B 成正比。这些缓冲区通常根据要处理的最大数据大小 **动态** 分配。

termios 结构

空间复杂度：O(1)

用于配置串行端口属性的 termios 结构（tty）是固定大小的，代表恒定的 **内存量 O(1)**，在堆栈上分配。

输入/输出数据

空间复杂度：O(M)

其中 M 代表用户提供的最大输入数据大小（例如，串行端口名称、要发送的消息），这些变量通常在 **程序执行** 期间临时存储在内存中。

总体空间复杂度

空间复杂度主要受缓冲区大小 (B)、最大输入数据大小 (M) 和固定大小数据结构 (termios) 的影响，在典型场景下通常为 **O(B + M)**。