2 常用的几种I/O模型 通常在操作I/O时，会用到下面几种模型之一：阻塞型I/O、非阻塞型I/O和复用型I/O。下面以读取串口数据为例，简要说明它们的基本工作原理和特点。 2.1 阻塞型I/O 顾名思义，它以阻塞方式操作I/O，如图1所示。若一个进程以阻塞方式调用read函数读取串口数据，则该进程会一直睡眠在read系统调用上。此时系统内核会一直等待数据，直到串口有数据到达为止。当串口数据准备好后，内核就把数据从内核拷贝至用户空间；而当数据拷贝完成后，才唤醒串口读取进程，通知它读取数据报。 2.2 非阻塞I/O 图2中，在非阻塞I/O模型下，I/O操作是即时完成的。当进程调用read函数时，设置了O_NONBLOCK标志，那么即使串口没有数据可读，read函数也会立即返回。此时其返回值为EAGAIN，表明串口数据未就绪。如果串口有数据可读，则read函数会读取该数据，并返回所读数据的长度。通常轮询I/O的方法就是采用这种模型来读取串口数据的，此时进程必须通过反复调用来检测是否有数据可读。如果轮询频率过低，则容易丢失数据；轮询频率过高，则占用太多处理器的处理周期。 2.3 I/O复用 上述两种I/O模型，是最常用的两种操作I/O的方式；但在面向较复杂、需要处理多个I/O的系统时，这两种模型存在着不足之处。例如：在应用进程中需要对多个I/O设备进行监听，当某个设备可读或可写时，进程能马上得知，并进行相关处理。这时若采用阻塞方式操作I/O，则进程会阻塞在某个设备的I/O读写操作上而不能适用于这种情况；若采用非阻塞方式，则往往需要定时或循环地探测所有设备，才作相应处理，这种作法相当耗费系统中央处理器的执行周期。可见，上述的两个I/O模型都不能满足这类应用，故此需要引入一种特别的I/O处理机制，即I/O复用。 所谓I/O复用，是指当一个或多个I/O条件（可读、能写或出现异常）满足时，进程能立即知道，从而正确并高效地对它们进行处理。 在uClinux下，系统提供SELECT函数和poll函数，用来支持I/O复用的实现。如图3所示，若使用SELECT的系统调用来查询是否有数据可读时，进程是在等待多个I/O描述接口的任一个变为可读，但此期间并不阻塞进程。当有数据报已准备好时，返回可读条件，并通知进程再次进行系统调用准备读取相应的I/O数据。此时内核就开始拷贝准备好的数据至用户空间，并返回指示进程处理数据报。 与上面提及的两种I/O模型不同的是：在这个处理过程中，使用了两次系统调用来达到读取数据的目的。虽然两次系统调用的开销似乎更大，但它的最大好处在于能同时等待多个描述符准备好。因此SELECT调用功能更多地是借助了内核来监听I/O设备描述符的。下面具体介绍SELECT函数的功能及应用。 3 uClinux中基于SELECT的I/O复用机制和工作原理 在系统存在多个输入或输出流但不希望其中任一个流被阻塞的场合，经常使用复用I/O的方法解决。uClinux中，用户程序多使用SELECT机制实现I/O复用控制，SELECT函数允许进程对一个或多个设备文件进行非阻塞的读或写操作。 SELECT的函数定义于
中，原型如下： int SELECT(int n, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout); 该函数允许进程指示内核等待多个事件中的任一个发生，并仅在一个或多个事件发生或经过某指定的时间后才唤醒进程。该函数的第1个参数n表示文件描述符集合中最大值再加1；第2个参数readfds，表示可读的文件描述符集合，用于查看是否有可读取数据；第3个参数writefds表示可写的文件描述符集合，用于查看是否能写入数据；第4个参数exceptfds用于异常控制；最后一个参数timeout决定了SELECT将会阻塞多久才把控制权移交给调用它的进程。调用SELECT之前，必须对此参数进行初始化。若timeout值为0，则SELECT直接返回0。此时I/O操作没有等待就立即返回，相当于一种非阻塞I/O的调用。 在应用中，通常先调用SELECT查看哪个I/O设备可读/写。如果没有可读/写的设备，并且没有设置超时返回功能，那么进程将阻塞在SELECT调用上；如果有，则SELECT函数返回，紧接着可通过测试参数readfds和writefds来确定哪个I/O设备可读或能写，而后以非阻塞方式操作该I/O设备，从而实现期望功能。 在实现SELECT应用的过程中，还会使用到这些SELECT相关接口： 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表示设备文件描述符集合，fd表示设备文件描述符。FD_ZERO函数用于清除设备文件描述符集合所有元素；FD_SET函数用于把某个文件描述符添加至文件描述符集合；FD_CLR函数用于从文件描述符集合中删除某个文件描述符；而FD_ISSET用于检测设备文件描述符集合的某个文件描述符是否有效，有效则表示该位对应的设备有数据可读或可写。 4.2 SELECT机制能充分利用系统时间的原因 与频繁调用非阻塞读写函数来轮询监听I/O的方法相比， SELECT调用允许用户把进程本身挂起来，同时使系统内核监听所要求的一组文件描述符的任何活动。只要确认在任何被监控的文件描述符上出现活动，SELECT调用将返回指示该设备文件已经准备好的信息。这样就使进程能相对实时地监测到I/O设备上随机的变化，而不必由进程本身去探测输入数据是否准备好。 5 利用SELECT I/O的机制实现GPS与GPSOne数据的接收 本文提出的基于GPS与GPSOne信号的双定位的解决
方案
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，即对系统两个串口定位信号的监听与处理，充分利用uClinux下基于SELECT的I/O复用机制，更利于较复杂系统的控制和管理。 方案实现的程序流程如图4所示。 图4 双定位信息获取的程序流程 以下代码为使用SELECT I/O机制接收GPS信息和GPSOne信息的软件实现： int Maxfd = fd_gps>fd_gpsOne? fd_gps: fd_gpsOne;//得到串口描述符中较大的一个 struct timeval tv;//定义超时控制结构 fd_set fds; //文件描述符集合变量 tv.tv_sec = 5;//设定超时值 5 s tv.tv_usec = 0; while(1){//通过GPSOne串口，发送GPSOne定位请求 Rt = send_port (fd_gpsone, "AT+GPSSTRT\r", strlen("AT+GPSSTRT\r"); if (Rt) == -1) printf("Error happened!"); FD_ZERO (&fds);//初始化文件描述符集合 FD_SET(*fd_gps, &fds);//设置文件描述符集合的相应位 FD_SET(fd_gpsOne, &fds);//使用SELECT，让内核开始监听GPSOne和GPS串口设备 fd_sel = SELECT((Maxfd)+1, &fds_gps, NULL, NULL, &tv); if (fd_sel < 0){ printf("Error happened while receiving gps data.\n");} else if (FD_ISSET(*fd_gps, &fds)){//若GPS串口设备有数据可读 recv_len = recv_port(fd_gps, buf, 254); if (recv_len > 0){ memcpy (gps_info, buf, recv_len);//信息保存到 gps_info数组中gps_info_process(gps_info);//解析定位信息处理 } } else if (FD_ISSET(*fd_gpsOne, &fds)){//若GPSOne串口设备有数据可读 recv_len = recv_port(*fd_gpsOne, buf, 254); if (recv_len > 0){memcpy (gpsOne_info, buf, recv_len); //信息保存到gpsOne_info数组中 gpsOne_info_process(gpsOne_info);//解析定位信息处理 } } sleep(1);
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