高性能串口通信实战
一、前言
在嵌入式开发或 Linux 后台服务中，串口通信仍然有着不可替代的应用场景。如何实现高效、稳定、可扩展的串口通信机制，是许多工程师面临的挑战。本文将结合一个完整的示例代码(基于 select() + 多线程 + 环形缓冲区的设计与实现)，带你深入理解：
- 串口配置
select()实现非阻塞 I/O- 多线程模型设计
- 环形缓冲区设计与线程同步
- 实际应用场景中的扩展建议
二、项目概述
我们将实现如下功能：
- 使用
select()实现串口非阻塞读取； - 将接收数据写入线程安全的环形缓冲区；
- 另启线程从缓冲区中取数据并处理，实现解耦；
- 支持高波特率（例如 500000 bps）和大吞吐量（环形缓冲区为 4KB）。
串口设备说明
本文使用的串口设备为 /dev/ttyHS2，该设备通常出现在高通平台或高速串口扩展设备中。
三、串口配置详解
我们采用标准的 termios 接口进行串口初始化。关键配置如下：
options.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD); // 本地连接+接收使能
options.c_cflag &= ~PARENB; // 无奇偶校验
options.c_cflag &= ~CSTOPB; // 一个停止位
options.c_cflag |= CS8; // 8 位数据位
并通过：
cfsetispeed(&options, B500000);
cfsetospeed(&options, B500000);
支持高波特率配置（注意设备是否支持）。
四、I/O 模型设计：select() 的使用
为了避免 read() 阻塞，我们使用 select() 来实现 I/O 多路复用。
select(serial_fd + 1, &read_fds, NULL, NULL, &timeout);
这使得程序可以在读取串口的同时，也保留处理其他任务（比如 GUI 刷新、状态检测）的空间。
设置 SELECT_TIMEOUT_MS = 100，意味着程序每 100ms 进入一次可处理状态。
五、环形缓冲区的设计与实现
typedef struct {
unsigned char buffer[BUFFER_SIZE];
int head, tail, count;
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t cond;
bool shutdown;
} CircularBuffer;
- 互斥锁（mutex）：保证线程安全；
- 条件变量（cond）：让数据处理线程在无数据时阻塞，节省资源；
head/tail/count：维护环形缓冲区状态。
插入与读取数据示意：
push(&cb, byte); // 接收线程写入
pop(&cb, &byte); // 处理线程读取
六、多线程模型设计
主线程负责接收串口数据，子线程（data_processor）处理缓冲区数据：
pthread_create(&processor_thread, NULL, data_processor, &thread_data);
处理线程会：
pop()获取数据（如果缓冲区为空会等待）；- 批量提取更多数据；
- 执行打印/处理操作；
- 根据
cb.shutdown判断退出。
为什么要多线程？
避免如下问题：
- 接收与处理交叉阻塞（处理线程阻塞会导致数据丢失）；
- 解耦处理逻辑，便于添加协议解析、存储、转发等操作。
七、关键问题优化与扩展建议
1. 环形缓冲区溢出策略
当缓冲区满时，当前策略是丢弃最旧数据：
pop(&cb, &dummy);
push(&cb, rx_buffer[i]);
也可改为：
- 丢弃最新数据；
- 触发报警/写入日志；
- 动态扩容缓冲区（复杂度更高）。
2. 优化 select() 超时时间
根据协议频率与处理能力调整超时时间，防止 CPU 空转或数据延迟。
3. 数据协议封装
可在 data_processor() 中添加协议帧结构处理：
// 示例：查找帧头 0xAA 0x55 并提取完整帧
4. 支持双向通信
增加写线程，从另一个缓冲区或消息队列中读取待发送数据，调用 write(fd, buf, len) 发送。
5. 接口封装成库
抽象出如下接口：
int serial_open(const char *dev, int baudrate);
int serial_send(int fd, const void *data, size_t len);
int serial_register_callback(void (*cb)(uint8_t *data, int len));
便于项目集成。
八、总结
本文从串口初始化、I/O 设计、线程通信到数据缓冲实现，构建了一个完整、高性能、结构清晰的串口通信系统。该架构适合嵌入式 Linux、工业控制、智能硬件等项目，具有良好的扩展性与可维护性。
九、完整示例源码下载
源码串口通信程序链接，如：
https://download.csdn.net/download/yll7702/90924780