基于uClinux的GPSOne/GPS雙定位信息接收

摘要 闡述uClinux串口編程的基本方法；簡(jiǎn)要介紹操作系統(tǒng)的幾種I/O模型，特別對(duì)基于select的I/O復(fù)用模型在監(jiān)聽(tīng)多個(gè)設(shè)備時(shí)的適用性進(jìn)行較詳細(xì)的分析；比較多個(gè)串口下使用輪詢方法和使用select機(jī)制處理的差別；結(jié)合GPSOne與GPS雙定位導(dǎo)航系統(tǒng)的實(shí)例，給出雙串口定位信息接收的軟件實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞 GPSGPSOneselectI/O復(fù)用串口

　　GPS是當(dāng)前在導(dǎo)航系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的定位技術(shù)之一,但GPS也有其自身的不足。例如，當(dāng)GPS終端在建筑密集的地方或在高架橋底下等惡劣的地理位置時(shí)，定位信號(hào)比較容易丟失，往往難以獲取有效的定位信息。由美國(guó)高通公司開(kāi)發(fā)的GPSOne定位模塊，提供的定位信號(hào)是基于網(wǎng)絡(luò)與蜂窩的定位技術(shù)。即使在衛(wèi)星信號(hào)不好的情況下，只要存在聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，利用蜂窩定位技術(shù)，就可以較容易地獲得定位信號(hào)。此信號(hào)可作為GPS信號(hào)丟失情況下的一種補(bǔ)償信號(hào)。

　　GPSOne是傳統(tǒng)GPS定位技術(shù)與CDMA網(wǎng)絡(luò)技術(shù)巧妙結(jié)合的混合型定位技術(shù)，即GPSOne=AGPS+AFLT+CellID。它是第一種可以在室內(nèi)穩(wěn)定工作的基于GPS技術(shù)的解決方案，是唯一商用的GPS定位解決方案，同時(shí)也是目前世界上最經(jīng)濟(jì)有效的集成型無(wú)線GPS解決方案。利用GPSOne能夠彌補(bǔ)GPS自身不足的這一特點(diǎn)，本導(dǎo)航系統(tǒng)的定位信息獲取模塊采用GPS和GPSOne雙定位方案，以實(shí)現(xiàn)更精確、可靠的定位。該定位信息獲取模塊的硬件架構(gòu)是ARM+GPS+GPSOne；CPU采用Philips公司LP系列的LPC2210的ARM7芯片，操作系統(tǒng)采用uClinux。本系統(tǒng)獲取定位信息的關(guān)鍵，在于編寫好串口通信程序，從而更好地實(shí)時(shí)接收和處理當(dāng)前的位置信息。由于系統(tǒng)功能較為復(fù)雜，需要實(shí)現(xiàn)GUI界面交互、定位、報(bào)警、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢、語(yǔ)音提示等多項(xiàng)功能，故對(duì)串口數(shù)據(jù)的接收，利用I/O復(fù)用機(jī)制進(jìn)行處理更利于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和管理。

1  uClinux串口編程操作方法

　　在Linux中，設(shè)備分為3類：字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。uClinux用設(shè)備文件表示大部分I/O設(shè)備。文件系統(tǒng)提供了統(tǒng)一的接口來(lái)訪問(wèn)一般意義上的文件和設(shè)備文件。

　　系統(tǒng)串口COM1與COM2，分別對(duì)應(yīng)uClinux系統(tǒng)的/dev/ttyS0、/dev/ttyS1兩個(gè)串口設(shè)備文件。串口屬于字符型設(shè)備，對(duì)串口的編程也就是對(duì)相應(yīng)文件進(jìn)行讀/寫、控制等操作。串口編程的基本步驟是：先打開(kāi)串口，設(shè)置串口屬性，然后進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)，最后關(guān)閉串口。

（1）  打開(kāi)串口
　　通過(guò)使用標(biāo)準(zhǔn)的文件打開(kāi)函數(shù)open，達(dá)到訪問(wèn)串口設(shè)備驅(qū)動(dòng)的目的。例如，以讀寫的方式打開(kāi)串口1，可用下面的方法實(shí)現(xiàn)：
　　fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR);

（2）  設(shè)置串口屬性
　　主要是設(shè)定結(jié)構(gòu)體termios各成員的值?；驹O(shè)置包括：波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位、輸入和輸出模式等。一般在設(shè)置時(shí)，先獲取系統(tǒng)已有的串口屬性，并在它的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改。另外，設(shè)置時(shí)要用到系統(tǒng)預(yù)定義的宏。
　　（結(jié)合實(shí)例的說(shuō)明略。——編者注）

（3）  收發(fā)數(shù)據(jù)
　　uClinux下串口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，通過(guò)使用文件操作中的read和write的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如：

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

（4）  關(guān)閉串口
　　關(guān)閉串口只須關(guān)閉已打開(kāi)的串口文件描述符，如close(fd) ;

2  常用的幾種I/O模型

　　通常在操作I/O時(shí)，會(huì)用到下面幾種模型之一：阻塞型I/O、非阻塞型I/O和復(fù)用型I/O。下面以讀取串口數(shù)據(jù)為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明它們的基本工作原理和特點(diǎn)。

2.1  阻塞型I/O

　　顧名思義，它以阻塞方式操作I/O，如圖1所示。若一個(gè)進(jìn)程以阻塞方式調(diào)用read函數(shù)讀取串口數(shù)據(jù)，則該進(jìn)程會(huì)一直睡眠在read系統(tǒng)調(diào)用上。此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)核會(huì)一直等待數(shù)據(jù)，直到串口有數(shù)據(jù)到達(dá)為止。當(dāng)串口數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，內(nèi)核就把數(shù)據(jù)從內(nèi)核拷貝至用戶空間；而當(dāng)數(shù)據(jù)拷貝完成后，才喚醒串口讀取進(jìn)程，通知它讀取數(shù)據(jù)報(bào)。

圖1  阻塞I/O模型

2.2  非阻塞I/O

　　圖2中，在非阻塞I/O模型下，I/O操作是即時(shí)完成的。當(dāng)進(jìn)程調(diào)用read函數(shù)時(shí)，設(shè)置了O_NONBLOCK標(biāo)志，那么即使串口沒(méi)有數(shù)據(jù)可讀，read函數(shù)也會(huì)立即返回。此時(shí)其返回值為EAGAIN，表明串口數(shù)據(jù)未就緒。如果串口有數(shù)據(jù)可讀，則read函數(shù)會(huì)讀取該數(shù)據(jù)，并返回所讀數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。通常輪詢I/O的方法就是采用這種模型來(lái)讀取串口數(shù)據(jù)的，此時(shí)進(jìn)程必須通過(guò)反復(fù)調(diào)用來(lái)檢測(cè)是否有數(shù)據(jù)可讀。如果輪詢頻率過(guò)低，則容易丟失數(shù)據(jù)；輪詢頻率過(guò)高，則占用太多處理器的處理周期。

圖2  非阻塞I/O模型

2.3  I/O復(fù)用

　　上述兩種I/O模型，是最常用的兩種操作I/O的方式；但在面向較復(fù)雜、需要處理多個(gè)I/O的系統(tǒng)時(shí)，這兩種模型存在著不足之處。例如：在應(yīng)用進(jìn)程中需要對(duì)多個(gè)I/O設(shè)備進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，當(dāng)某個(gè)設(shè)備可讀或可寫時(shí)，進(jìn)程能馬上得知，并進(jìn)行相關(guān)處理。這時(shí)若采用阻塞方式操作I/O，則進(jìn)程會(huì)阻塞在某個(gè)設(shè)備的I/O讀寫操作上而不能適用于這種情況；若采用非阻塞方式，則往往需要定時(shí)或循環(huán)地探測(cè)所有設(shè)備，才作相應(yīng)處理，這種作法相當(dāng)耗費(fèi)系統(tǒng)中央處理器的執(zhí)行周期?？梢?jiàn)，上述的兩個(gè)I/O模型都不能滿足這類應(yīng)用，故此需要引入一種特別的I/O處理機(jī)制，即I/O復(fù)用。

　　所謂I/O復(fù)用，是指當(dāng)一個(gè)或多個(gè)I/O條件（可讀、能寫或出現(xiàn)異常）滿足時(shí)，進(jìn)程能立即知道，從而正確并高效地對(duì)它們進(jìn)行處理。

　　在uClinux下，系統(tǒng)提供select函數(shù)和poll函數(shù)，用來(lái)支持I/O復(fù)用的實(shí)現(xiàn)。如圖3所示，若使用select的系統(tǒng)調(diào)用來(lái)查詢是否有數(shù)據(jù)可讀時(shí)，進(jìn)程是在等待多個(gè)I/O描述接口的任一個(gè)變?yōu)榭勺x，但此期間并不阻塞進(jìn)程。當(dāng)有數(shù)據(jù)報(bào)已準(zhǔn)備好時(shí)，返回可讀條件，并通知進(jìn)程再次進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用準(zhǔn)備讀取相應(yīng)的I/O數(shù)據(jù)。此時(shí)內(nèi)核就開(kāi)始拷貝準(zhǔn)備好的數(shù)據(jù)至用戶空間，并返回指示進(jìn)程處理數(shù)據(jù)報(bào)。

圖3  I/O復(fù)用模型

　　與上面提及的兩種I/O模型不同的是：在這個(gè)處理過(guò)程中，使用了兩次系統(tǒng)調(diào)用來(lái)達(dá)到讀取數(shù)據(jù)的目的。雖然兩次系統(tǒng)調(diào)用的開(kāi)銷似乎更大，但它的最大好處在于能同時(shí)等待多個(gè)描述符準(zhǔn)備好。因此select調(diào)用功能更多地是借助了內(nèi)核來(lái)監(jiān)聽(tīng)I(yíng)/O設(shè)備描述符的。下面具體介紹select函數(shù)的功能及應(yīng)用。

3  uClinux中基于select的I/O復(fù)用機(jī)制和工作原理

　　在系統(tǒng)存在多個(gè)輸入或輸出流但不希望其中任一個(gè)流被阻塞的場(chǎng)合，經(jīng)常使用復(fù)用I/O的方法解決。uClinux中，用戶程序多使用select機(jī)制實(shí)現(xiàn)I/O復(fù)用控制，select函數(shù)允許進(jìn)程對(duì)一個(gè)或多個(gè)設(shè)備文件進(jìn)行非阻塞的讀或?qū)懖僮鳌?/P>

　　select的函數(shù)定義于<unistd.h>中，原型如下：

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

　　該函數(shù)允許進(jìn)程指示內(nèi)核等待多個(gè)事件中的任一個(gè)發(fā)生，并僅在一個(gè)或多個(gè)事件發(fā)生或經(jīng)過(guò)某指定的時(shí)間后才喚醒進(jìn)程。該函數(shù)的第1個(gè)參數(shù)n表示文件描述符集合中最大值再加1；第2個(gè)參數(shù)readfds，表示可讀的文件描述符集合，用于查看是否有可讀取數(shù)據(jù)；第3個(gè)參數(shù)writefds表示可寫的文件描述符集合，用于查看是否能寫入數(shù)據(jù)；第4個(gè)參數(shù)exceptfds用于異?？刂疲蛔詈笠粋€(gè)參數(shù)timeout決定了select將會(huì)阻塞多久才把控制權(quán)移交給調(diào)用它的進(jìn)程。調(diào)用select之前，必須對(duì)此參數(shù)進(jìn)行初始化。若timeout值為0，則select直接返回0。此時(shí)I/O操作沒(méi)有等待就立即返回，相當(dāng)于一種非阻塞I/O的調(diào)用。

　　在應(yīng)用中，通常先調(diào)用select查看哪個(gè)I/O設(shè)備可讀/寫。如果沒(méi)有可讀/寫的設(shè)備，并且沒(méi)有設(shè)置超時(shí)返回功能，那么進(jìn)程將阻塞在select調(diào)用上；如果有，則select函數(shù)返回，緊接著可通過(guò)測(cè)試參數(shù)readfds和writefds來(lái)確定哪個(gè)I/O設(shè)備可讀或能寫，而后以非阻塞方式操作該I/O設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)期望功能。

　　在實(shí)現(xiàn)select應(yīng)用的過(guò)程中，還會(huì)使用到這些select相關(guān)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表示設(shè)備文件描述符集合，fd表示設(shè)備文件描述符。FD_ZERO函數(shù)用于清除設(shè)備文件描述符集合所有元素；FD_SET函數(shù)用于把某個(gè)文件描述符添加至文件描述符集合；FD_CLR函數(shù)用于從文件描述符集合中刪除某個(gè)文件描述符；而FD_ISSET用于檢測(cè)設(shè)備文件描述符集合的某個(gè)文件描述符是否有效，有效則表示該位對(duì)應(yīng)的設(shè)備有數(shù)據(jù)可讀或可寫。

4  輪詢檢測(cè)方法與select方法的比較

4.1  輪詢檢測(cè)方法

　　輪詢檢測(cè)方法是指對(duì)串口進(jìn)行非阻塞的讀寫操作。當(dāng)操作未成功時(shí)，讓進(jìn)程或線程掛起一段時(shí)間，然后再使用非阻塞調(diào)用來(lái)重新查詢串口是否有可讀/寫數(shù)據(jù)。用此方法，相當(dāng)于系統(tǒng)不斷地對(duì)接收或者發(fā)送操作的執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行探測(cè)，直到把數(shù)據(jù)發(fā)出去或者接收完成定量的數(shù)據(jù)，才退出此輪詢循環(huán)。而對(duì)于接收與發(fā)送不確定哪個(gè)時(shí)刻會(huì)到達(dá)的情況，即隨機(jī)性比較高的讀/寫操作，采用輪詢方法會(huì)造成CPU資源浪費(fèi)。如果輪詢頻率過(guò)低，則會(huì)使系統(tǒng)少接收一部分?jǐn)?shù)據(jù)或接收過(guò)慢；反之，則接收方會(huì)因?yàn)榈却枚荒芙邮崭嘈碌臄?shù)據(jù)。輪詢頻率過(guò)高的情況，會(huì)讓CPU過(guò)度頻繁地查詢串口狀態(tài)，造成過(guò)多的耗用CPU執(zhí)行周期，降低其利用率。

4.2  select機(jī)制能充分利用系統(tǒng)時(shí)間的原因

　　與頻繁調(diào)用非阻塞讀寫函數(shù)來(lái)輪詢監(jiān)聽(tīng)I(yíng)/O的方法相比， select調(diào)用允許用戶把進(jìn)程本身掛起來(lái)，同時(shí)使系統(tǒng)內(nèi)核監(jiān)聽(tīng)所要求的一組文件描述符的任何活動(dòng)。只要確認(rèn)在任何被監(jiān)控的文件描述符上出現(xiàn)活動(dòng)，select調(diào)用將返回指示該設(shè)備文件已經(jīng)準(zhǔn)備好的信息。這樣就使進(jìn)程能相對(duì)實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)到I/O設(shè)備上隨機(jī)的變化，而不必由進(jìn)程本身去探測(cè)輸入數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好。

5  利用select I/O的機(jī)制實(shí)現(xiàn)GPS與GPSOne數(shù)據(jù)的接收

　　本文提出的基于GPS與GPSOne信號(hào)的雙定位的解決方案，即對(duì)系統(tǒng)兩個(gè)串口定位信號(hào)的監(jiān)聽(tīng)與處理，充分利用uClinux下基于Select的I/O復(fù)用機(jī)制，更利于較復(fù)雜系統(tǒng)的控制和管理。

　　方案實(shí)現(xiàn)的程序流程如圖4所示。

圖4  雙定位信息獲取的程序流程

　　以下代碼為使用Select I/O機(jī)制接收GPS信息和GPSOne信息的軟件實(shí)現(xiàn)：

　　int Maxfd = fd_gps>fd_gpsOne? fd_gps: fd_gpsOne;//得到串口描述符中較大的一個(gè)
　　struct timeval tv;//定義超時(shí)控制結(jié)構(gòu)
　　fd_set fds; //文件描述符集合變量
　　tv.tv_sec = 5;//設(shè)定超時(shí)值 5 s
　　tv.tv_usec = 0;
　　while(1){//通過(guò)GPSOne串口，發(fā)送GPSOne定位請(qǐng)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);//設(shè)置文件描述符集合的相應(yīng)位
　　　　FD_SET(fd_gpsOne, &fds);//使用select，讓內(nèi)核開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)GPSOne和GPS串口設(shè)備
　　　　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串口設(shè)備有數(shù)據(jù)可讀
　　　　　　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數(shù)組中g(shù)ps_info_process(gps_info);//解析定位信息處理
　　　　　　}
　　　　}
　　　　else if (FD_ISSET(*fd_gpsOne, &fds)){//若GPSOne串口設(shè)備有數(shù)據(jù)可讀
　　　　　　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數(shù)組中
　　　　　　gpsOne_info_process(gpsOne_info);//解析定位信息處理
　　　　　　}
　　　　}
　　　　sleep(1);
　　}

6  設(shè)計(jì)總結(jié)

　　本文詳細(xì)說(shuō)明了串口編程的基本方法和步驟，并提出一種基于select的I/O復(fù)用機(jī)制處理多個(gè)串口信息的方案，同時(shí)給出這種方案的具體實(shí)現(xiàn)。此方案具有較高的可靠性，保證了多個(gè)串口的信息可以很好地被接收和處理，而且不相互干擾，利于系統(tǒng)更好地管理多個(gè)文件設(shè)備。特別是在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域中，select利用內(nèi)核同時(shí)監(jiān)聽(tīng)多個(gè)設(shè)備描述符機(jī)制，可以被廣泛地應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)多路I/O采集的設(shè)計(jì)中。

參考文獻(xiàn)

[1]  Kurt Wall. GNU/Linux編程指南[M].張輝，譯. 北京：清華大學(xué)出版社,2005.
[2]  Richard Stevens W. UNIX網(wǎng)絡(luò)編程[M]. 第2版. 第1卷·套接口API和X/Open傳輸接口API.北京：清華大學(xué)出版社,1998：121131.
[3]  馬忠梅,李善平,康慨,等. ARM&Linux嵌入式系統(tǒng)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2005:255261.
[4]  周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教程(2).廣州：廣州周立功單片機(jī)發(fā)展有限公司,2005:213219.
[5]  鄧滔，徐勇. GPS與嵌入式Linux平臺(tái)串行通信研究[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2005,18(1).