Linux串口通信是嵌入式开发、工业控制及系统运维中不可或缺的基础技术，其核心在于将物理串口设备映射为系统文件，通过标准的文件I/O接口结合termios结构体进行参数配置，从而实现稳定的数据传输，掌握Linux串口的使用，关键在于理解原始模式与规范模式的区别、精确的波特率与数据位设置，以及如何利用I/O多路复用技术解决阻塞与超时问题。
串口设备节点与权限基础
在Linux系统中，一切皆文件，串口设备也不例外，通常情况下，串口设备以设备节点的形式存在于/dev目录下，常见的串口设备包括基于PCI或板载的/dev/ttyS*（通常对应COM1、COM2等）以及基于USB转串口的/dev/ttyUSB*。
在进行串口操作前，首要任务是确保当前用户对设备节点拥有读写权限，默认情况下，这些设备通常属于root用户或dialout组，若遇到“Permission denied”错误，最安全的做法是将当前用户添加到dialout组，而非直接修改权限为777，以遵循最小权限原则，对于USB转串口设备，Linux内核可能会根据插入顺序改变设备名（如ttyUSB0变为ttyUSB1），在生产环境中，建议通过udev规则根据设备的ID信息创建固定的软链接,保证应用层连接的稳定性。
核心配置：termios结构体详解
Linux串口编程的核心在于使用termios结构体配置串口属性，该结构体定义在<termios.h>头文件中，包含了控制模式、输入模式、输出模式、本地模式以及特殊控制字符等成员。
控制模式
这是配置串口参数最关键的部分，主要通过c_cflag成员操作。
- 波特率设置：必须使用
cfsetispeed和cfsetospeed函数分别设置输入和输出波特率，在POSIX标准中，波特率使用常量（如B9600、B115200）。 - 数据位：通过掩码操作清除CSIZE位后，设置CS5、CS6、CS7或CS8，最常用的是CS8（8位数据位）。
- 奇偶校验：启用奇偶校验需开启PARENB位，若为奇校验，再开启PARODD位；若为偶校验，则清除PARODD位,无校验时需清除PARENB。
- 停止位：若使用2位停止位，开启CSTOPB位；通常使用1位停止位,即清除CSTOPB位。
- 硬件流控：开启CRTSCTS位可启用硬件流控（RTS/CTS）,在数据传输速率较快且对实时性要求高的场景下非常重要。
本地模式
c_lflag成员决定了串口的处理方式，为了实现高效、无干扰的数据传输，通常需要将串口配置为原始模式。
- 关闭规范模式：必须清除ICANON标志，规范模式下，系统以行为单位处理输入，遇到换行符才返回,不适合二进制数据传输。
- 关闭回显：清除ECHO和ECHOE标志，防止发送的数据被系统回显到接收端,造成数据混淆。
输入与输出模式
在c_iflag中，通常建议关闭软件流控（IXON, IXOFF, IXANY）和特殊的输入处理（如IGNBRK, BRKINT, PARMRK, ISTRIP, INLCR, IGNCR, ICRNL），以确保数据的透传，在c_oflag中，通常直接置0,禁止所有输出处理。
超时控制：VMIN与VTIME的精妙配合
在原始模式下，c_cc数组中的VMIN和VTIME两个参数决定了read函数的行为,这是实现非阻塞或定时读取的关键。
- VMIN = 0, VTIME = 0：
read调用立即返回，若有数据则读取，无数据则返回0,即完全非阻塞模式。 - VMIN > 0, VTIME = 0：
read调用会阻塞，直到读取到VMIN个字节的数据才返回,这是保证数据包完整性的常用设置。 - VMIN = 0, VTIME > 0：
read调用等待数据，等待时间为VTIME*0.1秒，一旦有数据到达或超时，立即返回，适用于对实时性要求高、不希望长时间阻塞的场景。 - VMIN > 0, VTIME > 0：
read调用阻塞，直到读取到VMIN个字节，但在读取到第一个字节后，启动定时器（VTIME*0.1秒），若定时器到期前未读满VMIN字节，也会返回,这是一种带有超时保护的阻塞读取模式。
高级I/O处理：select与多路复用
在实际工程应用中，单纯使用read往往难以满足复杂的需求，程序需要同时监听串口数据、处理用户输入或检查网络状态，使用I/O多路复用技术（如select或poll）是专业的解决方案。
通过select机制，可以将串口文件描述符加入读集合（fd_set），当串口有数据可读时，select返回，程序再调用read读取数据，从而避免在无数据时死等，这种方式极大地提高了程序的响应速度和资源利用率，对于高波特率（如921600bps及以上）的数据传输，建议在应用层实现环形缓冲区，配合select快速将数据从内核缓存搬运到用户态缓存,防止因处理速度过慢导致的内核缓冲区溢出和数据丢失。
常见故障与专业排查
在使用Linux串口时，数据乱码是最常见的问题，这通常由波特率不匹配、数据位/停止位/校验位不一致引起，排查时应首先使用stty -a -F /dev/ttyS0命令查看当前系统配置,确保与对端设备完全一致。
另一个常见问题是“串口只发不收”或“阻塞死锁”，这往往是因为硬件流控配置不当，如果硬件上并未连接RTS/CTS信号线，但软件开启了CRTSCTS，串口将一直等待对方就绪信号而无法发送数据，除非硬件明确支持并连接了流控线,否则务必关闭硬件流控。
相关问答
Q1：在Linux下如何快速判断串口设备是否正常且未被占用？
A： 可以使用ls -l /dev/ttyS*或/dev/ttyUSB*查看设备是否存在，进一步地，使用lsof /dev/ttyS0（替换为实际设备名）命令，如果该命令有输出，说明设备已被某个进程打开占用；如果没有输出，则设备当前空闲，可以使用echo test > /dev/ttyS0配合示波器或逻辑分析仪观察波形，或使用cat /dev/ttyS0在另一终端尝试接收数据,进行简单的回环测试。
Q2：为什么设置了高波特率（如1500000）后，程序报错或波特率设置无效？
A： 标准的termios结构体通常只支持定义好的波特率常量（最高通常为B115200或B4000000，取决于具体实现），对于非标准波特率或极高的自定义波特率，标准的cfsetispeed可能无法生效，专业的解决方案是使用TCSETS2 ioctl命令配合struct termios2，在其中设置c_ispeed和c_ospeed为具体的整数值，并设置CBAUD位为BOTHER，从而支持任意整数波特率。
能帮助您深入理解Linux串口的使用，如果您在配置特定串口芯片或解决实际通信故障时有独到的经验,欢迎在评论区分享您的见解。
