基于uClinux的GPSOne／GPS雙定位信息接收

　　GPS是當前在導航系統中應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)，定位信號比較容易丟失，往往難以獲取有效的定位信息。由美國高通公司開(kāi)發(fā)的GPSOne定位模塊，提供的定位信號是基于網(wǎng)絡(luò )與蜂窩的定位技術(shù)。即使在衛星信號不好的情況下，只要存在聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò )信號，利用蜂窩定位技術(shù)，就可以較容易地獲得定位信號。此信號可作為GPS信號丟失情況下的一種補償信號。

　　GPSOne是傳統GPS定位技術(shù)與CDMA網(wǎng)絡(luò )技術(shù)巧妙結合的混合型定位技術(shù)，即GPSOne=A-GPS+AFLT+Cell-ID。它是第一種可以在室內穩定工作的基于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)濟有效的集成型無(wú)線(xiàn)GPS解決方案。利用GPSOne能夠彌補GPS自身不足的這一特點(diǎn)，本導航系統的定位信息獲取模塊采用GPS和GPSOne雙定位方案，以實(shí)現更精確、可靠的定位。該定位信息獲取模塊的硬件架構是ARM+GPS+GPSOne；CPU采用Philips公司LP系列的LPC2210的ARM7芯片，操作系統采用uClinux,本系統獲取定位信息的關(guān)鍵，在于編寫(xiě)好串口通信程序，從而更好地實(shí)時(shí)接收和處理當前的位置信息。由于系統功能較為復雜，需要實(shí)現GUI界面交互、定位、報警、數據庫查詢(xún)、語(yǔ)音提示等多項功能，故對串口數據的接收，利用I／O復用機制進(jìn)行處理更利于系統實(shí)現和管理。

1 uClinux串口編程操作方法

　　在Linux中，設備分為3類(lèi)：字符設備、塊設備和網(wǎng)絡(luò )設備。uClinux用設備文件表示大部分I／O設備。文件系統提供了統一的接口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)一般意義上的文件和設備文件。

　　系統串口COM1與COM2，分別對應uClinux系統的／dev／ttyS0、／dev／ttyS1兩個(gè)串口設備文件。串口屬于字符型設備，對串口的編程也就是對相應文件進(jìn)行讀／寫(xiě)、控制等操作。串口編程的基本步驟是：先打開(kāi)串口，設置串口屬性，然后進(jìn)行收發(fā)數據，最后關(guān)閉串口。 (1)打開(kāi)串口

　　通過(guò)使用標準的文件打開(kāi)函數open，達到訪(fǎng)問(wèn)串口設備驅動(dòng)的目的。例如，以讀寫(xiě)的方式打開(kāi)串口1，可用下面的方法實(shí)現：

　　fd=open("／dev／ttyS0"，O_RDWR)；

(2)設置串口屬性

　　主要是設定結構體termios各成員的值?；驹O置包括：波特率、數據位、校驗位、停止位、輸入和輸出模式等。一般在設置時(shí)，先獲取系統已有的串口屬性，并在它的基礎上進(jìn)行修改。另外，設置時(shí)要用到系統預定義的宏。 (結合實(shí)例的說(shuō)明略。--編者注)

(3)收發(fā)數據

　　uClinux下串口發(fā)送和接收數據，通過(guò)使用文件操作中的read和write的方法來(lái)實(shí)現。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和復用型I／O。下面以讀取串口數據為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明它們的基本工作原理和特點(diǎn)。{{分頁(yè)}}

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)程以阻塞方式調用read函數讀取串口數據，則該進(jìn)程會(huì )一直睡眠在read系統調用上。此時(shí)系統內核會(huì )一直等待數據，直到串口有數據到達為止。當串口數據準備好后，內核就把數據從內核拷貝至用戶(hù)空間；而當數據拷貝完成后，才喚醒串口讀取進(jìn)程，通知它讀取數據報。

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。當進(jìn)程調用read函數時(shí)，設置了O_NONBLOCK標志，那么即使串口沒(méi)有數據可讀，read函數也會(huì )立即返回。此時(shí)其返回值為-EAGAIN，表明串口數據未就緒。如果串口有數據可讀，則read函數會(huì )讀取該數據，并返回所讀數據的長(cháng)度。通常輪詢(xún)I／O的方法就是采用這種模型來(lái)讀取串口數據的，此時(shí)進(jìn)程必須通過(guò)反復調用來(lái)檢測是否有數據可讀。如果輪詢(xún)頻率過(guò)低，則容易丟失數據；輪詢(xún)頻率過(guò)高，則占用太多處理器的處理周期。

2．3 I／O復用

　　上述兩種I／O模型，是最常用的兩種操作I／O的方式；但在面向較復雜、需要處理多個(gè)I／O的系統時(shí)，這兩種模型存在著(zhù)不足之處。例如：在應用進(jìn)程中需要對多個(gè)I／O設備進(jìn)行監聽(tīng)，當某個(gè)設備可讀或可寫(xiě)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)設備的I／O讀寫(xiě)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)地探測所有設備，才作相應處理，這種作法相當耗費系統中央處理器的執行周期?？梢?jiàn)，上述的兩個(gè)I／O模型都不能滿(mǎn)足這類(lèi)應用，故此需要引入一種特別的I／O處理機制，即I／O復用。

　　所謂I／O復用，是指當一個(gè)或多個(gè)I／O條件(可讀、能寫(xiě)或出現異常)滿(mǎn)足時(shí)，進(jìn)程能立即知道，從而正確并高效地對它們進(jìn)行處理。

　　在uClinux下，系統提供select函數和poll函數，用來(lái)支持I／O復用的實(shí)現。如圖3所示，若使用select的系統調用來(lái)查詢(xún)是否有數據可讀時(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。當有數據報已準備好時(shí)，返回可讀條件，并通知進(jìn)程再次進(jìn)行系統調用準備讀取相應的I／O數據。此時(shí)內核就開(kāi)始拷貝準備好的數據至用戶(hù)空間，并返回指示進(jìn)程處理數據報。

　　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，使用了兩次系統調用來(lái)達到讀取數據的目的。雖然兩次系統調用的開(kāi)銷(xiāo)似乎更大，但它的最大好處在于能同時(shí)等待多個(gè)描述符準備好。因此select調用功能更多地是借助了內核來(lái)監聽(tīng)I／O設備描述符的。

　　下面具體介紹select函數的功能及應用。

3 uClinux中基于select的I／O復用機制和工作原理

　　在系統存在多個(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)常使用復用I／O的方法解決。uClinux中，用戶(hù)程序多使用select機制實(shí)現I／O復用控制，select函數允許進(jìn)程對一個(gè)或多個(gè)設備文件進(jìn)行非阻塞的讀或寫(xiě)操作。

　　select的函數定義于<unistd．h>中，原型如下：

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

　　該函數允許進(jìn)程指示內核等待多個(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。該函數的第1個(gè)參數n表示文件描述符集合中最大值再加1；第2個(gè)參數readfds，表示可讀的文件描述符集合，用于查看是否有可讀取數據；第3個(gè)參數writefds表示可寫(xiě)的文件描述符集合，用于查看是否能寫(xiě)入數據；第4個(gè)參數exceptfds用于異?？刂?；最后一個(gè)參數timeout決定了select將會(huì )阻塞多久才把控制權移交給調用它的進(jìn)程。調用select之前，必須對此參數進(jìn)行初始化。若timeout值為O，則select直接返回O。此時(shí)I／O操作沒(méi)有等待就立即返回，相當于一種非阻塞I／O的調用。

　　在應用中，通常先調用select查看哪個(gè)I／O設備可讀／寫(xiě)。如果沒(méi)有可讀／寫(xiě)的設備，并且沒(méi)有設置超時(shí)返回功能，那么進(jìn)程將阻塞在select調用上；如果有，則select函數返回，緊接著(zhù)可通過(guò)測試參數readfds和writefds來(lái)確定哪個(gè)I／O設備可讀或能寫(xiě)，而后以非阻塞方式操作該I／O設備，從而實(shí)現期望功能。{{分頁(yè)}}

　　在實(shí)現select應用的過(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表示設備文件描述符集合，fd表示設備文件描述符。FD_ZERO函數用于清除設備文件描述符集合所有元素；FD_SET函數用于把某個(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用于檢測設備文件描述符集合的某個(gè)文件描述符是否有效，有效則表示該位對應的設備有數據可讀或可寫(xiě)。

4輪詢(xún)檢測方法與select方法的比較

4．1輪詢(xún)檢測方法

　　輪詢(xún)檢測方法是指對串口進(jìn)行非阻塞的讀寫(xiě)操作。當操作未成功時(shí)，讓進(jìn)程或線(xiàn)程掛起一段時(shí)間，然后再使用非阻塞調用來(lái)重新查詢(xún)串口是否有可讀／寫(xiě)數據。用此方法，相當于系統不斷地對接收或者發(fā)送操作的執行結果進(jìn)行探測，直到把數據發(fā)出去或者接收完成定量的數據，才退出此輪詢(xún)循環(huán)。而對于接收與發(fā)送不確定哪個(gè)時(shí)刻會(huì )到達的情況，即隨機性比較高的讀／寫(xiě)操作，采用輪詢(xún)方法會(huì )造成CPU資源浪費。如果輪詢(xún)頻率過(guò)低，則會(huì )使系統少接收一部分數據或接收過(guò)慢；反之，則接收方會(huì )因為等待太久而不能接收更多新的數據。輪詢(xún)頻率過(guò)高的情況，會(huì )讓CPU過(guò)度頻繁地查詢(xún)串口狀態(tài)，造成過(guò)多的耗用CPU執行周期，降低其利用率。

4．2 select機制能充分利用系統時(shí)間的原因

　　與頻繁調用非阻塞讀寫(xiě)函數來(lái)輪詢(xún)監聽(tīng)I／O的方法相比，select調用允許用戶(hù)把進(jìn)程本身掛起來(lái)，同時(shí)使系統內核監聽(tīng)所要求的一組文件描述符的任何活動(dòng)。只要確認在任何被監控的文件描述符上出現活動(dòng)，select調用將返回指示該設備文件已經(jīng)準備好的信息。這樣就使進(jìn)程能相對實(shí)時(shí)地監測到I／O設備上隨機的變化，而不必由進(jìn)程本身去探測輸入數據是否準備好。

5 利用select I／O的機制實(shí)現GPS與GPSOne數據的接收

　　本文提出的基于GPS與GPSOne信號的雙定位的解決方案，即對系統兩個(gè)串口定位信號的監聽(tīng)與處理，充分利用uClinux下基于Select的I／O復用機制，更利于較復雜系統的控制和管理。

　　方案實(shí)現的程序流程如圖4所示。

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

6 設計總結

　　本文詳細說(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復用機制處理多個(gè)串口信息的方案，同時(shí)給出這種方案的具體實(shí)現。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，利于系統更好地管理多個(gè)文件設備。特別是在數據采集和數據傳輸領(lǐng)域中，select利用內核同時(shí)監聽(tīng)多個(gè)設備描述符機制，可以被廣泛地應用于嵌入式系統多路I／O采集的設計中。