計(jì)算機(jī)被越來越廣泛地使用在從外部機(jī)器或設(shè)濟(jì)上獲取數(shù)據(jù)，并在對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理后進(jìn)步去控制外部機(jī)器或設(shè)備的應(yīng)用中。在此過程中，計(jì)算機(jī)與外部電路采用什么接口就顯得尤為重要。PC機(jī)中的異步串行通信口因具有接口簡單，容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，己被廣泛的使用，成為一種常用接口。
在Windows中，異步串行通信口驅(qū)動(dòng)程序充當(dāng)了通信程序的角色，它對Windows程序設(shè)計(jì)人員隱藏了串口通信的底層操作，通過Windows的API函數(shù)為用戶提供了更簡單的訪問接口-與文件的操作常相似的接口。
1.兩種實(shí)時(shí)串口通信方法
當(dāng)串口的通信電路收到一個(gè)數(shù)據(jù)后，會(huì)向CPU發(fā)出個(gè)中斷請求，通過響應(yīng)這個(gè)中斷可以非常及時(shí)±也對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以說這是實(shí)時(shí)串口通信的最好不能進(jìn)行像響應(yīng)斷這樣低級的報(bào)作，只能通過編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來實(shí)現(xiàn)。而編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序比編寫普迎的應(yīng)用程序要復(fù)雜得多。且如果設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序有問題將有可能造成整個(gè)windows崩潰。所以，除非是在對實(shí)時(shí)性要求非?？量痰膽?yīng)用中，否則建議不要采用上述方法。下面將介紹兩種能夠在windows中實(shí)現(xiàn)串口通信的簡單易行的方法。
1.1利用定時(shí)器
定時(shí)器是一種特殊的資源，它能夠被賦予一個(gè)時(shí)間值，此后每隔這個(gè)時(shí)間，定時(shí)器便會(huì)向指定窗口發(fā)送一條定時(shí)器消息或調(diào)用一個(gè)指定的回調(diào)函數(shù)。因此利用定時(shí)器，我們便可以在一定程度上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)串口通信，設(shè)置定時(shí)器，進(jìn)入消息循環(huán)，然后在收到一條定時(shí)器消息時(shí)便去接收傳到串口中的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理；然后繼續(xù)消息循環(huán)，等待下條定時(shí)器消息。這種通信方式有兩個(gè)需要澄清：
a.在等待定時(shí)器消息到達(dá)期間，可能有不止一個(gè)數(shù)據(jù)傳到串口中，這樣會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失嗎？
因?yàn)閣indows本身對串口提供了一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，每當(dāng)收到一個(gè)數(shù)據(jù)后，windows會(huì)首先將該數(shù)據(jù)保存到該緩沖區(qū)中，因此只要在等待定時(shí)器消息到來期間傳到串口的數(shù)據(jù)不超過windows的串緩沖區(qū)的大小，便不會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。
b.如何確定定時(shí)器的時(shí)間值
定時(shí)器的時(shí)間值的確定要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中對系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求及接收的數(shù)據(jù)試來確定。如果應(yīng)用環(huán)境對實(shí)時(shí)性要求不高、接收到的數(shù)據(jù)不多則可以將時(shí)間值設(shè)得大些；相反，在對實(shí)時(shí)性要求相對較高的數(shù)據(jù)很多時(shí)，則應(yīng)將時(shí)間值設(shè)得小些。
另外，windows對實(shí)時(shí)器的最小時(shí)間值有個(gè)限制。就是最小時(shí)間值為55ms，如果定時(shí)器被賦予比這個(gè)時(shí)間值更小的值，系統(tǒng)都認(rèn)為是55，也就是說，利用定時(shí)器進(jìn)行實(shí)時(shí)串口通信，最大的延遲可能為55ms。如果應(yīng)用環(huán)境要求實(shí)時(shí)處理的延遲低于55ms，或在55ms內(nèi)所接收到的數(shù)據(jù)大于windows串緩沖區(qū)的人小則不能使用這個(gè)實(shí)時(shí)通信方法
1.2利用多線程技術(shù)
在利用定時(shí)器產(chǎn)生的定時(shí)器消息可以每間隔一段時(shí)間去進(jìn)行一個(gè)串口通信處理，那么為什么非要間隔一段才去處理而不是一直等待，一旦發(fā)現(xiàn)串口接收數(shù)據(jù)立即處理呢？這需要從windows消息循環(huán)機(jī)制說起。對于每個(gè)擁有窗口用戶界面的應(yīng)用程序，windows都要求它有個(gè)消息循環(huán)來處理各種消息（如鍵盤按鍵。鼠標(biāo)移動(dòng)窗口繪制等），一旦消息循環(huán)中止。該應(yīng)用程序的窗口將不再響應(yīng)任何消息。從用戶的角度來看，這個(gè)窗口就意味著己經(jīng)停止響應(yīng)，是個(gè)死窗口。所以，在一般的單線程應(yīng)用程序中，如果一直等待串口接收到數(shù)據(jù)，就將造成程序的窗口界面不可訪問。
要解決這一問題可以采用多線程程序設(shè)計(jì)技術(shù)。當(dāng)系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程時(shí)，都會(huì)同時(shí)為該進(jìn)程創(chuàng)建一個(gè)線程稱之為主線程。普通的應(yīng)用程序只有這一個(gè)線程。消息循環(huán)依賴于它，所以它絕不應(yīng)該在消息循環(huán)之外停下來等待某事件發(fā)生。
一個(gè)線程不行，考慮能否使用多個(gè)線程。即在程序啟動(dòng)后，人為的再創(chuàng)建一個(gè)線程稱之為輔助線程，這樣包括系統(tǒng)創(chuàng)建進(jìn)程時(shí)創(chuàng)建的線程就有兩個(gè)線程了。讓主線程執(zhí)行消息循環(huán)，而輔助線程則專門負(fù)責(zé)進(jìn)行串口通信。這樣一來便可以讓輔助線程停下來，專門等待傳到串口中的數(shù)據(jù)。一旦收到數(shù)據(jù)就立即執(zhí)行。對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理?？梢姡ㄟ^多創(chuàng)建一個(gè)輔助線程使得串口通信的實(shí)時(shí)性比利用定時(shí)器要高得多，比直接響應(yīng)中斷的方式相差不了多少了。
2.試驗(yàn)機(jī)應(yīng)用中的比較
對彈簧試驗(yàn)機(jī)和材料試驗(yàn)機(jī)測試系統(tǒng)中有關(guān)上下位通信問的解決法，分別采用了上述兩種方法，下面將從幾個(gè)不同的方面對這兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較。
①實(shí)現(xiàn)的難易程度上看
利用定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)串行通信的方法可以說是很簡單的，只需要設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，然后在響應(yīng)windows的定時(shí)器消息時(shí)進(jìn)行一次串行通信。由于這種方法只需要一個(gè)線程因此也不存在線程同步的問題。
利用多線程來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)串行通信相對而言就比較復(fù)雜了，首先，要額外創(chuàng)建一個(gè)線程并要對該線程進(jìn)行管理，其次，兩個(gè)線程之間如果需耍進(jìn)行數(shù)據(jù)交換則還需要考慮到線程同步的問題。
②CPU資源占用率上看。
對于第一種方法。由于每隔一段時(shí)間就要查詢一次是否有數(shù)據(jù)到達(dá)。而且隨著應(yīng)用環(huán)境對實(shí)時(shí)性要求的提高，這個(gè)時(shí)間間隔越短，如果不是很頻繁地接收到數(shù)據(jù)，那么這些查詢勢必會(huì)減小CPU的利用率。
對于第二種方法則CPU的利用率較高，因?yàn)槿绻麤]數(shù)據(jù)到達(dá)，則串口通信的輔助線程處于等待狀態(tài)，只有串口接收到數(shù)據(jù)后該線程才會(huì)被激活重新進(jìn)的就緒狀態(tài)。因此它不會(huì)消費(fèi)CPU資源。
③實(shí)時(shí)性程度的角度上看
第一種方法的實(shí)時(shí)性程度是可變的，與設(shè)置的定時(shí)器的時(shí)間間隔有關(guān)，但最小間隔是55ms,因此這種方法所能達(dá)到的實(shí)時(shí)性程度并不是很高。而這55ms是被系統(tǒng)所制約的，無法通過提高計(jì)算機(jī)性能或提高算法效率等方法來縮小這一限制。
第二種方法則不同，只要一接收到數(shù)據(jù)，程序便可以立即處理，因此實(shí)時(shí)性比第一種方法要高得多，且制約實(shí)時(shí)性的唯一因素就是處理數(shù)據(jù)的那段代碼所消耗的時(shí)間，這一時(shí)間可以通過提高計(jì)算機(jī)性能、提高算法效率或改變線程優(yōu)先級等手段來縮短。從而進(jìn)一步提高實(shí)時(shí)性程度。
由此看出，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境來選擇不同的方法：如果應(yīng)用環(huán)境對實(shí)時(shí)性要求不高時(shí)，則可利用定時(shí)器，這將便于程序的調(diào)試也不會(huì)碰到因線程同步不好而造成系統(tǒng)出錯(cuò)或死鎖的問題；如果應(yīng)用環(huán)境對實(shí)時(shí)性要求較高，用定時(shí)器無法實(shí)時(shí)或只能勉強(qiáng)實(shí)現(xiàn)時(shí)，則應(yīng)考慮采用多線程技術(shù)。此時(shí)應(yīng)注意線程同步問題及對輔助線程的管理。
3.結(jié)束語
本文介紹的兩種方法可以較好地實(shí)現(xiàn)windows下的實(shí)時(shí)串口通信，且己經(jīng)能夠滿足大部分的應(yīng)用需求，這兩種實(shí)時(shí)串口通信的方法都分別在彈簧試驗(yàn)機(jī)和材料試驗(yàn)機(jī)測試系統(tǒng)有成功的應(yīng)用，并取得了令人滿意的效果。然而我們應(yīng)該知道，如果通過對windows對串口進(jìn)于操作。由于windows在發(fā)送數(shù)據(jù)之前或接收數(shù)據(jù)之都要進(jìn)行很多額外的處理，這些都將消耗一定的CPU資源從而降低了處理實(shí)時(shí)性程度，因此如果應(yīng)用環(huán)境對實(shí)時(shí)要求相當(dāng)苛刻則這兩種方法都將不再適用，這時(shí)則應(yīng)考慮采用編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的方法了。
來源：天氏庫力 發(fā)布日期
2018-12-25 瀏覽：