라즈베리 파이 Serial 프로그램 예제와 설명

Serial 프로그램 예제

대부분의 실습 타겟 보드 자체에 메인 콘솔용으로 사용되는 통신 포트 이외에 두개의 다른 포트를 지원하고 있다.

일반적으로 메인 콘솔용으로 사용되는 포트는 통신용으로 부적합하다. 커널에서 발생되는 메세지가 메인콘솔로 출력되기 때문에 통신에 방해를 받을 수 있기 때문이다.

씨리얼 포트 두 포트 중 한 포트를 이용하여 리눅스에서 통신 프로그램을 어떻게 작성해야 하는가에 대한 간단한 예제를 들고 있다.

좀더 자세한 시리얼 프로그램 기법에 대해서는 리눅스 프로그램 관련 서적이나 KLDP 에 한글화된 문서를 참조하기 바란다. 

리눅스에서는 터미널을 연결하기 위하여 장치 파일을 이용한다. 장치 파일은 /dev/ttyUSB0 이다.

상황에 따라, 연결된 외부 포트에 따라 각기 다른 이름으로 사용될 수 있다. 다음 명령어로 할당된 포트 이름을 알 수 있다.

$ ls /dev
autofs           kmsg                null    raw      tty19  tty38  tty57      vcio
block            log                 ppp     rfkill   tty2   tty39  tty58      vcs
btrfs-control    loop-control        ptmx    serial   tty20  tty4   tty59      vcs1
bus              loop0               pts     serial1  tty21  tty40  tty6       vcs2
cachefiles       loop1               ram0    shm      tty22  tty41  tty60      vcs3
char             loop2               ram1    snd      tty23  tty42  tty61      vcs4
console          loop3               ram10   stderr   tty24  tty43  tty62      vcs5
cpu_dma_latency  loop4               ram11   stdin    tty25  tty44  tty63      vcs6
cuse             loop5               ram12   stdout   tty26  tty45  tty7       vcsa
disk             loop6               ram13   tty      tty27  tty46  tty8       vcsa1
fb0              loop7               ram14   tty0     tty28  tty47  tty9       vcsa2
fd               mapper              ram15   tty1     tty29  tty48  ttyAMA0    vcsa3
full             mem                 ram2    tty10    tty3   tty49  ttyUSB0    vcsa4
fuse             memory_bandwidth    ram3    tty11    tty30  tty5   ttyprintk  vcsa5
gpiomem          mmcblk0             ram4    tty12    tty31  tty50  uhid       vcsa6
hidraw0          mmcblk0p1           ram5    tty13    tty32  tty51  uinput     vcsm
hidraw1          mmcblk0p2           ram6    tty14    tty33  tty52  urandom    vhci
hidraw2          mqueue              ram7    tty15    tty34  tty53  usb        watchdog
hwrng            net                 ram8    tty16    tty35  tty54  vc-cma     watchdog0
initctl          network_latency     ram9    tty17    tty36  tty55  vc-mem     xconsole
input            network_throughput  random  tty18    tty37  tty56  vchiq      zero

여기서 우리는 14라인에 보이는 /dev/ttyUSB0 를 사용한다.

시리얼 장치 파일은 터미널 장치로 분류된다. 따라서 초기 설정이 에코가 되도록 설정 되어 있다. 데이터 전송을 목적으로 한다면 바꾸어 주어야 한다.

장치 파일의 설정에 관한 것은 <asm/termbits.h>에 정의되어 있는 termios 구조체에 저장되어 있다. 구조체의 내용은 아래와 같다.

어떤 환경에든 이 구조체를 변경하여 상황에 맞게 사용할 수 있어야 하므로 잘 알아두어야 한다.

#define NCCS 19
struct termios {
tcflag_t c_iflag; /* input mode flags */
tcflag_t c_oflag; /* output mode flags */
tcflag_t c_cflag; /* control mode flags */
tcflag_t c_lflag; /* local mode flags */
cc_t c_line; /* line discipline */
cc_t c_cc[NCCS]; /* control characters */
};

● c_iflag

모든 입력 처리를 정의한다. 입력 처리란 read() 함수에 의해 시리얼 포트로

들어온 데이터를 read에 의해 읽기전에 데이터들을 c_iflag에 정의한 대로

처리하는 것을 의미한다.

● c_oflag

출력처리 하는 방법을 정의한다.

● c_cflag

baudrate, data bits, stop bits 등의 포트 세팅을 정의한다.

● c_lflag

echo를 할 것인지 등을 결정한다.

● c_cc 배열

EOF, STOP 등의 제어 동작들을 어떤 문자로 정의 할 것인가를 결정한다. 제어문자의 디폴트 문자는 <asm/termios.h>에 정의되어 있다. 

시리얼 장치의 입력 방법

■ Canonical 입력 처리( Canonical Input Processing)

Canonical 입력 처리는 터미널의 기본 처리 방법이다. 이 방법은 한 줄 단위로 처리하는 다른 프로그램과 통신하는데에 사용할 수 있다. 한 줄은 디폴트로 NL(New Line, ASCII는 LF)문자, EOF(End of File)문자, 혹은 EOL(End Of Line)에 의해 종료되는 문자열을 의미한다. CR(Carriage Return, DOS/Windows의 디폴트 EOL 문자임) 문자는 디폴트 세팅에서 한 줄 의 종료 문자로 인식되지 않는다. 또한 Canonical 입력 처리 모드에서는 ERASE, DELETE WORD, REPRINT CHARACTERS 문자들을 처리할 수 있고, CR 문자를 NL 문자로 변환 처리를 할 수 있다.

■ Non-Canonical 입력 처리(Non-Canonical Input Processing)

Non-Canonical 입력 처리 모드에서는 한 번 읽을 때마다 정해진 크기의 문자만을 읽어낼 수 있다. 또한 타이머를 두어서 일정 시간까지 read()가 리턴하지 않는 경우 강제리턴을 할 수 있다. 이 모드는 항상 정해진 크기의 문자들만을 읽어내거나 대량의 문자들을 전송하고자 할 때 사용한다.

■ 비동기 입력

위의 두가지 모드는 동기 방식이나 비동기 방식으로 사용될 수 있다. 동기 방식은 read의 조건이 만족될 때까지 block되는 방식으로서 디폴트로 설정되어 있다. 동기방식은 read의 조건이 만족될 때까지 block되는 방식으로서 디폴트로 설정되어 있다. 비동기 방식에서는 read() 함수가 바로 리턴되며, 호출한 프로그램에게 signal을 보낸다. 이 signal handler(시그널 처리 함수)로 보내 진다. 

예제는 간단하게 데이타를 전송하고 수신된 데이타를 화면에 뿌려주는 예제다.

//------------------------------------------------------------------------------
// 파 일 : serialtest.c
// 설 명 : 시리얼 포트를 사용하여 데이타를 전송하는 예제이다.
//
// 작 성 :
//------------------------------------------------------------------------------
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/signal.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/poll.h>
#include <termios.h>
//------------------------------------------------------------------------------
// 설명 : 시리얼포트를 연다.
// 주의 : RTS/CTS 를 제어하지 않는다.
// 시리얼포트를 열고 이전의 포트설정상태를 저장하지 않았다.
//------------------------------------------------------------------------------
int open_serial( char *dev_name, int baud, int vtime, int vmin )
{
    int fd;
    struct termios newtio;
    // 시리얼포트를 연다.
    fd = open( dev_name, O_RDWR | O_NOCTTY );
    if ( fd < 0 )
     {
         // 화일 열기 실패
         printf( "Device OPEN FAIL %s\n", dev_name );
         return -1;
     }
     // 시리얼 포트 환경을 설정한다.
     memset(&newtio, 0, sizeof(newtio));
     newtio.c_iflag = IGNPAR; // non-parity
     newtio.c_oflag = 0;
     newtio.c_cflag = CS8 | CLOCAL | CREAD; // NO-rts/cts 
     switch( baud )
     {
         case 115200 : newtio.c_cflag |= B115200; break;
         case 57600 : newtio.c_cflag |= B57600; break;
         case 38400 : newtio.c_cflag |= B38400; break;
         case 19200 : newtio.c_cflag |= B19200; break;
         case 9600 : newtio.c_cflag |= B9600; break;
         case 4800 : newtio.c_cflag |= B4800; break;
         case 2400 : newtio.c_cflag |= B2400; break;
         default : newtio.c_cflag |= B115200; break;
     }
    //set input mode (non-canonical, no echo,.....)
     newtio.c_lflag = 0;
    newtio.c_cc[VTIME] = vtime; // timeout 0.1초 단위
     newtio.c_cc[VMIN] = vmin; // 최소 n 문자 받을 때까진 대기
     tcflush ( fd, TCIFLUSH );
     tcsetattr( fd, TCSANOW, &newtio );
 
     return fd;
}
//------------------------------------------------------------------------------
// 설명 : 시리얼포트를 닫는다.
// 주의 :
//------------------------------------------------------------------------------
void close_serial( int fd )
{
     close( fd );
}
//------------------------------------------------------------------------------
// 설명 : main
// 32바이트의 데이타를 보낸후 데이타가 들어오는지를 1초동안 감시한다.
// 데이타가 일정시간(1초)동안 없으면 다시 데이타를 전송한다.
// 주의 :
//------------------------------------------------------------------------------
int main( int argc, char **argv )
{
     int fd; // 시리얼포트 파일핸들
     int baud; // 전송속도
     char dev_name[128]; // 시리얼포트 노드파일 이름
     char cc, buf[128]; // 데이타 버퍼
     int rdcnt;
     if ( argc != 3 )
     {
         printf( " sample_serial [device] [baud]\n" \
         " device : /dev/ttySAC0 ...\n" \
         " baud : 2400 ... 115200\n" );
         return -1;
     }
     printf( " Serial test start... (%s)\n", __DATE__ );
 
 // 인자를 얻어온다.
     strcpy( dev_name, argv[1] ); // 노드파일 이름
     baud = strtoul( argv[2], NULL, 10 ); // 전송속도
 // 시리얼 포트를 연다
 // 시리얼포트를 1초동안 대기하거나 32바이트 이상의 데이타가 들어오면
 // 깨어나도록 설정한다.
     fd = open_serial( dev_name, baud, 10, 32 );
     if ( fd < 0 ) return -2;
     for ( cc='A'; cc<='z'; cc++ )
     {
         // 32바이트 데이타를 전송한다.
         memset( buf, cc, 32 );
         write( fd, buf, 32 );
 
         // 데이타를 읽어온다.
         rdcnt = read( fd, buf, sizeof(buf) );
         if ( rdcnt > 0 )
         {
             buf[rdcnt] = '\0';
             printf( "<%s rd=%2d> %s\n", dev_name, rdcnt, buf );
         }
 
         // 테스트를 위한 지연
         sleep(1);
     }
     // 시리얼 포트를 닫는다.
     close_serial( fd );
 
     printf( " Serial test end\n" );
 
     return 0;
}
 

#-------------------------------------------------------------------------

프로그램 소스 분석

int fd;

struct termios newtio;

시리얼 포트의 헨들과 termios 구조체를 선언한다. termios 구조체는 위에서 설명하였다.

fd = open( dev_name, O_RDWR | O_NOCTTY );

dev_name 은 /dev/ttyUSB0 이거나 다른 할당된 디바이스 네임이다. 

읽기/쓰기 모드로 장치를 연다.(O_RDWR)

데이터 전송 시에 <ctrl>-c 문자가 오면 프로그램이 종료되지 않도록 하기 위해 controlling tty 가 안되도록 한다.(O_NOCTTY)

newtio.c_cflag = B9600 | CS8 | CLOCAL | CREAD ;

B9600

전송속도. cfsetispeed() 및 cfsetospeed() 함수로도 세팅 가능

CS8

8N1 (8bit, no parity, 1 stopbit)

CLOCAL

Local connection. 모뎀 제어를 하지 않는다.

CREAD

문자 수신을 가능하게 한다.

CRTSCTS

하드웨어 흐름제어.(시리얼 케이블이 모든 핀에 연결되어 있는 경우만 사용)

newtio.c_iflag = IGNPAR;

IGNPAR

Parity 에러가 있는 문자 바이트를 무시한다.

ICRL

CR 문자를 NL 문자로 변환 처리한다. ( 이 설정을 하지 않으면 다른 컴퓨터는 CR 문자를 한 줄의 종료 문자로 인식하지 않을 수 있다.)

newtio.c_lflag = 0;

0으로 설정하면 Non-Canonical 입력 처리하게 된다. Non-Canonical 입력 처리 모드에서는 입력이 한 줄 단위로 처리되지 않는다.

따라서, 이 모드에서 설정하는 파라미터는 c_cc[VTIME]과 c_cc[VMIN] 두가지이다. 이것은 아래 다시 설명하였다.

ICANON

canonical 입력을 가능하게 한다. 

newtio.c_cc[VTIME] = 10;

최소 1초 이상 수신이 없으면 타임 아웃이 걸린다. 이때 read 함수는 0을 반환한다.

newtio.c_cc[VMIN] = 32;

VTIME 값이 0 일 경우 read문이 리턴되기 위한 최소의 수신 문자 개수를 지정한다.

MIN > 0, TIME = 0

MIN은 read가 리턴되기 위한 최소한의 문자 개수. TIME이 0이면 타이머는 사용되지 않는다.(무한대로 기다린다.)

MIN = 0, TIME > 0

TIME은 time-out 값으로 사용된다. Time-out 값은 TIME * 0.1 초이다. Time-out이 일어나기 전에 한 문자라도 들어오면 read는 리턴된다.

MIN > 0, TIME > 0

TIME은 time-out이 아닌 inter-character 타이머로 동작한다. 최소 MIN 개의 문자가 들어오거나 두 문자 사이의 시간이 TIME 값을 넘으면 리턴된다. 문자가 처음 들어올 때 타이머는 동작을 시작하고 이후 문자가 들어올 때마다 재 시작된다.

MIN = 0, TIME = 0

read는 즉시 리턴된다. 현재 읽을 수 있는 문자의 개수나 요청한 문자 개수가 반환된다. Antonino씨에 의하면 read하기 전에 fcntl(fd, F_SETFL, FNDELAY); 를 호출하면 똑같은 결과를 얻을 수 있다.

다음은 termios.h에 있는 디폴트 값을 나열한 것이다.

newtio.c_cc[VINTR] = 0; /* Ctrl-c */
newtio.c_cc[VQUIT] = 0; /* Ctrl-\ */
newtio.c_cc[VERASE] = 0; /* del */
newtio.c_cc[VKILL] = 0; /* @ */
newtio.c_cc[VEOF] = 4; /* Ctrl-d */
newtio.c_cc[VTIME] = 0; /* inter-character timer unused */
newtio.c_cc[VMIN] = 1; /* blocking read until 1 character arrives */
newtio.c_cc[VSWTC] = 0; /* '\0' */
newtio.c_cc[VSTART] = 0; /* Ctrl-q */
newtio.c_cc[VSTOP] = 0; /* Ctrl-s */
newtio.c_cc[VSUSP] = 0; /* Ctrl-z */
newtio.c_cc[VEOL] = 0; /* '\0' */
newtio.c_cc[VREPRINT] = 0; /* Ctrl-r */
newtio.c_cc[VDISCARD] = 0; /* Ctrl-u */
newtio.c_cc[VWERASE] = 0; /* Ctrl-w */
newtio.c_cc[VLNEXT] = 0; /* Ctrl-v */
newtio.c_cc[VEOL2] = 0; /* '\0' */ 

tcflush(fd, TCIFLUSH );

통신을 수행하기 이전에 이전에 아직 전송되지 않았거나 수신 처리가 되어 있지 않은 데이타를 모두 비워 버린다.

tcsetattr(fd, TCSANOW, &newtio );

모뎀 라인을 초기화하고 포트 setting을 마친다.

write( fd, buf, strlen(buf) );

A ~Z 까지의 32개의 문자가 통신 포트를 통해 전송한다. 하이퍼 터미널에서는 이 값이 표시 되어야 한다.

rdcnt = read( fd, buf, sizeof(buf) );

수신된 문자를 표출한다.

close(fd );

이 부분은 위의 프로그램에서는 수행되지 않으나 일반적으로 프로그램이 종료되기 전에 수행되어 프로그램이 실행되기 이전의 포트상태로 되돌리고 사용하던 포트를 닫는다.

[ 주의 사항 ]

newtio.c_cc[VTIME] = 10;

newtio.c_cc[VMIN] = 32;

위 두 값을 잘 설정하여야 한다. 예제 프로그램에서는 이 두가지 모드를 보여주기 위해서 위와 같이 설정을 사용하였지만 실제 프로그램에서는 자신의 통신 프로토콜 에 맞게 수정을 해 주어야 한다. 

테스트 : PC 화면에서 Enter키를 누를 때 마다 수신을 한다. 즉, AAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAAA 32개의 문자를 받고, Enter키를 누르면 다음 32개의 문자를 받는다. 

이미지 : http://www.hoons.net/Board/cshaptip/Content/89080 C#으로 시리얼통신을 해보자! 시리얼 통신의 원리부터 구현까지