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串行通信與重疊(異步)I/O

 _小女子_ 2011-12-15
Win 32系統(tǒng)把文件的概念進(jìn)行了擴展。無論是文件、通信設(shè)備、命名管道、郵件槽、磁盤、還是控制臺,都是用API函數(shù)CreateFile來打開或創(chuàng)建的。該函數(shù)的聲明為:

  HANDLE CreateFile
  (
    LPCTSTR lpFileName,             // 文件名 
    DWORD dwDesiredAccess,           // 訪問模式 
    DWORD dwShareMode,             // 共享模式 
    LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes, // 通常為NULL
    DWORD dwCreationDistribution,        // 創(chuàng)建方式 
    DWORD dwFlagsAndAttributes,         // 文件屬性和標(biāo)志
    HANDLE hTemplateFile            // 臨時文件的句柄,通常為NULL 
  );

  如果調(diào)用成功,那么該函數(shù)返回文件的句柄,如果調(diào)用失敗,則函數(shù)返回INVALID_HANDLE_VALUE。
  在打開通信設(shè)備句柄后,常常需要對串行口進(jìn)行一些初始化工作。這需要通過一個DCB結(jié)構(gòu)來進(jìn)行。DCB結(jié)構(gòu)包含了諸如波特率、每個字符的數(shù)據(jù)位數(shù)、奇偶校驗和停止位數(shù)等信息。在查詢或配置置串行口的屬性時,都要用DCB結(jié)構(gòu)來作為緩沖區(qū)。

  調(diào)用GetCommState函數(shù)可以獲得串口的配置,該函數(shù)把當(dāng)前配置填充到一個DCB結(jié)構(gòu)中。一般在用CreateFile打開串行口后,可以調(diào)用GetCommState函數(shù)來獲取串行口的初始配置。要修改串行口的配置,應(yīng)該先修改DCB結(jié)構(gòu),然后再調(diào)用SetCommState函數(shù)用指定的DCB結(jié)構(gòu)來設(shè)置串行口。

  除了在DCB中的設(shè)置外,程序一般還需要設(shè)置I/O緩沖區(qū)的大小和超時。Windows用I/O緩沖區(qū)來暫存串行口輸入和輸出的數(shù)據(jù),如果通信的速率較高,則應(yīng)該設(shè)置較大的緩沖區(qū)。調(diào)用SetupComm函數(shù)可以設(shè)置串行口的輸入和輸出緩沖區(qū)的大小。

  在用ReadFile和WriteFile讀寫串行口時,需要考慮超時問題。如果在指定的時間內(nèi)沒有讀出或?qū)懭胫付〝?shù)量的字符,那么ReadFile或WriteFile的操作就會結(jié)束。要查詢當(dāng)前的超時設(shè)置應(yīng)調(diào)用GetCommTimeouts函數(shù),該函數(shù)會填充一個COMMTIMEOUTS結(jié)構(gòu)。調(diào)用SetCommTimeouts可以用某一個COMMTIMEOUTS結(jié)構(gòu)的內(nèi)容來設(shè)置超時。

  有兩種超時:間隔超時和總超時。間隔超時是指在接收時兩個字符之間的最大時延,總超時是指讀寫操作總共花費的最大時間。寫操作只支持總超時,而讀操作兩種超時均支持。用COMMTIMEOUTS結(jié)構(gòu)可以規(guī)定讀/寫操作的超時,該結(jié)構(gòu)的定義為:

  typedef struct _COMMTIMEOUTS
  { 
    DWORD ReadIntervalTimeout;     // 讀間隔超時
    DWORD ReadTotalTimeoutMultiplier;  // 讀時間系數(shù)
    DWORD ReadTotalTimeoutConstant;   // 讀時間常量
    DWORD WriteTotalTimeoutMultiplier; // 寫時間系數(shù)
    DWORD WriteTotalTimeoutConstant;  // 寫時間常量
  } COMMTIMEOUTS,*LPCOMMTIMEOUTS;

  COMMTIMEOUTS結(jié)構(gòu)的成員都以毫秒為單位??偝瑫r的計算公式是: 總超時=時間系數(shù)×要求讀/寫的字符數(shù) + 時間常量
  例如,如果要讀入10個字符,那么讀操作的總超時的計算公式為: 讀總超時=ReadTotalTimeoutMultiplier×10 + ReadTotalTimeoutConstant

  可以看出,間隔超時和總超時的設(shè)置是不相關(guān)的,這可以方便通信程序靈活地設(shè)置各種超時。

  如果所有寫超時參數(shù)均為0,那么就不使用寫超時。如果ReadIntervalTimeout為0,那么就不使用讀間隔超時,如果ReadTotalTimeoutMultiplier和ReadTotalTimeoutConstant都為0,則不使用讀總超時。如果讀間隔超時被設(shè)置成MAXDWORD并且兩個讀總超時為0,那么在讀一次輸入緩沖區(qū)中的內(nèi)容后讀操作就立即完成,而不管是否讀入了要求的字符。

  在用重疊方式讀寫串行口時,雖然ReadFile和WriteFile在完成操作以前就可能返回,但超時仍然是起作用的。在這種情況下,超時規(guī)定的是操作的完成時間,而不是ReadFile和WriteFile的返回時間。在用ReadFile和WriteFile讀寫串行口時,既可以同步執(zhí)行,也可以重疊(異步)執(zhí)行。在同步執(zhí)行時,函數(shù)直到操作完成后才返回。這意味著在同步執(zhí)行時線程會被阻塞,從而導(dǎo)致效率下降。在重疊執(zhí)行時,即使操作還未完成,調(diào)用的函數(shù)也會立即返回。費時的I/O操作在后臺進(jìn)行,這樣線程就可以干別的事情。例如,線程可以在不同的句柄上同時執(zhí)行I/O操作,甚至可以在同一句柄上同時進(jìn)行讀寫操作?!爸丿B”一詞的含義就在于此。

  ReadFile函數(shù)只要在串行口輸入緩沖區(qū)中讀入指定數(shù)量的字符,就算完成操作。而WriteFile函數(shù)不但要把指定數(shù)量的字符拷入到輸出緩沖中,而且要等這些字符從串行口送出去后才算完成操作。

  ReadFile和WriteFile函數(shù)是否為執(zhí)行重疊操作是由CreateFile函數(shù)決定的。如果在調(diào)用CreateFile創(chuàng)建句柄時指定了FILE_FLAG_OVERLAPPED標(biāo)志,那么調(diào)用ReadFile和WriteFile對該句柄進(jìn)行的讀寫操作就是重疊的,如果未指定重疊標(biāo)志,則讀寫操作是同步的。

  函數(shù)ReadFile和WriteFile的參數(shù)和返回值很相似。這里僅列出ReadFile函數(shù)的聲明:

  BOOL ReadFile
  (
    HANDLE hFile,         // 文件句柄
    LPVOID lpBuffer,       // 讀緩沖區(qū)
    DWORD nNumberOfBytesToRead,  // 要求讀入的字節(jié)數(shù) 
    LPDWORD lpNumberOfBytesRead, // 實際讀入的字節(jié)數(shù)
    LPOVERLAPPED lpOverlapped   // 指向一個OVERLAPPED結(jié)構(gòu)
  );                //若返回TRUE則表明操作成功

 

  需要注意的是如果該函數(shù)因為超時而返回,那么返回值是TRUE。參數(shù)lpOverlapped在重疊操作時應(yīng)該指向一個OVERLAPPED結(jié)構(gòu),如果該參數(shù)為NULL,那么函數(shù)將進(jìn)行同步操作,而不管句柄是否是由FILE_FLAG_OVERLAPPED標(biāo)志建立的。

  當(dāng)ReadFile和WriteFile返回FALSE時,不一定就是操作失敗,線程應(yīng)該調(diào)用GetLastError函數(shù)分析返回的結(jié)果。例如,在重疊操作時如果操作還未完成函數(shù)就返回,那么函數(shù)就返回FALSE,而且GetLastError函數(shù)返回ERROR_IO_PENDING。

  在使用重疊I/O時,線程需要創(chuàng)建OVERLAPPED結(jié)構(gòu)以供讀寫函數(shù)使用。OVERLAPPED結(jié)構(gòu)最重要的成員是hEvent,hEvent是一個事件對象句柄,線程應(yīng)該用CreateEvent函數(shù)為hEvent成員創(chuàng)建一個手工重置事件,hEvent成員將作為線程的同步對象使用。如果讀寫函數(shù)未完成操作就返回,就那么把hEvent成員設(shè)置成無信號的。操作完成后(包括超時),hEvent會變成有信號的。

  如果GetLastError函數(shù)返回ERROR_IO_PENDING,則說明重疊操作還為完成,線程可以等待操作完成。有兩種等待辦法:一種辦法是用象WaitForSingleObject這樣的等待函數(shù)來等待OVERLAPPED結(jié)構(gòu)的hEvent成員,可以規(guī)定等待的時間,在等待函數(shù)返回后,調(diào)用GetOverlappedResult。另一種辦法是調(diào)用GetOverlappedResult函數(shù)等待,如果指定該函數(shù)的bWait參數(shù)為TRUE,那么該函數(shù)將等待OVERLAPPED結(jié)構(gòu)的hEvent 事件。GetOverlappedResult可以返回一個OVERLAPPED結(jié)構(gòu)來報告包括實際傳輸字節(jié)在內(nèi)的重疊操作結(jié)果。

  如果規(guī)定了讀/寫操作的超時,那么當(dāng)超過規(guī)定時間后,hEvent成員會變成有信號的。因此,在超時發(fā)生后,WaitForSingleObject和GetOverlappedResult都會結(jié)束等待。WaitForSingleObject的dwMilliseconds參數(shù)會規(guī)定一個等待超時,該函數(shù)實際等待的時間是兩個超時的最小值。注意GetOverlappedResult不能設(shè)置等待的時限,因此如果hEvent成員無信號,則該函數(shù)將一直等待下去。

  在調(diào)用ReadFile和WriteFile之前,線程應(yīng)該調(diào)用ClearCommError函數(shù)清除錯誤標(biāo)志。該函數(shù)負(fù)責(zé)報告指定的錯誤和設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)。

  調(diào)用PurgeComm函數(shù)可以終止正在進(jìn)行的讀寫操作,該函數(shù)還會清除輸入或輸出緩沖區(qū)中的內(nèi)容

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