Linux的TTY子系统(TTY框架)的重要结构体termios的详解(串口通信参数的配置)

前言

通常，我们开发串口驱动和应用时，就是以Linux的TTY子系统(TTY框架)为基础进行的，而TTY子系统(TTY框架)的结构体termios就与串口通信参数的配置紧密相关，所以这篇博文就对结构体termios进行详解。

struct termios 是 Linux TTY（终端）子系统 用于配置串口终端设备的结构体，位于 <termios.h> 头文件中。

它用于 设置串口通信参数，如波特率、数据位、校验位、控制模式等。

1. termios结构体的定义

struct termios {tcflag_t c_iflag;     /* 输入模式标志 */tcflag_t c_oflag;     /* 输出模式标志 */tcflag_t c_cflag;     /* 控制模式标志 */tcflag_t c_lflag;     /* 本地模式标志 */cc_t c_cc[NCCS];      /* 控制字符 */speed_t c_ispeed;     /* 输入波特率 */speed_t c_ospeed;     /* 输出波特率 */
};

tcflag_t：无符号整数类型，存储 模式标志
cc_t：char 类型，存储 特殊控制字符
speed_t：存储 波特率

2. termios结构体的字段解析

(1) `c_iflag`：输入模式标志

控制串口接收数据时的处理方式。

#define IGNBRK  0x00000001  // 忽略 BREAK 信号
#define BRKINT  0x00000002  // 产生 SIGINT 信号
#define ICRNL   0x00000100  // 将 CR 转换为 NL（回车 -> 换行）
#define IGNPAR  0x00000004  // 忽略奇偶校验错误
#define INLCR   0x00000200  // 将 NL 转换为 CR（换行 -> 回车）
#define INPCK   0x00000010  // 使能奇偶校验
#define ISTRIP  0x00000020  // 剥离第 8 位（只保留低 7 位）

关于选项值IGNBRK、BRKINT的详细介绍见我的另一篇博文：https://blog.csdn.net/wenhao_ir/article/details/146190068

示例

options.c_iflag &= ~(ICRNL | INPCK);  // 关闭回车转换和奇偶校验

(2) `c_oflag`：输出模式标志

控制数据从串口发送时的处理方式。

#define OPOST  0x00000001  // 使能输出处理
#define ONLCR  0x00000002  // 将换行符 NL 转换为回车换行 CR-NL

示例

options.c_oflag &= ~OPOST;  // 关闭输出处理（原始模式）

(3) `c_cflag`：控制模式标志

控制 波特率、数据位、校验位、停止位

#define CSIZE   0x00000300  // 选择数据位掩码
#define CS5     0x00000000  // 5 数据位
#define CS6     0x00000100  // 6 数据位
#define CS7     0x00000200  // 7 数据位
#define CS8     0x00000300  // 8 数据位（常用）#define CSTOPB  0x00000400  // 2 停止位（默认 1 停止位）
#define CREAD   0x00000800  // 使能接收器
#define PARENB  0x00001000  // 使能校验
#define PARODD  0x00002000  // 奇校验（默认偶校验）
#define CLOCAL  0x00004000  // 忽略调制解调器控制线

示例

options.c_cflag |= CLOCAL | CREAD;  // 使能本地控制和数据接收
options.c_cflag &= ~CSIZE; 
options.c_cflag |= CS8;  // 8 数据位

这里我要说明下字段值CLOCAL。要搞清楚这个字段值，你要知道并不是所有的串口都只有三根线，串口有两线模式、三线模式、九线模式，如下表所示：

串口类型	使用的线	描述
两线模式	`TXD`、`RXD`	只支持单向数据通信
三线模式	`TXD`、`RXD`、`GND`	标准的 UART 通信方式
九线模式	`TXD`、`RXD`、`GND`、`RTS`、`CTS`、`DTR`、`DSR`、`DCD`、`RI`	完整的 RS-232 Modem 连接

上面这个表格中所说的“完整的 RS-232 Modem 连接 ”，为什么里面有Modem，因为我们网络通信中用的调制解调器的信号接口就是RS-232串口，即RS-232串口最常见、最常用于调制解调器中，所以说“RS-232 Modem 连接”。

通常，嵌入式系统（如 IMX6ULL 开发板）使用的串口是三线制：

TXD（发送数据）
RXD（接收数据）
GND（地）

在三线制这种串口模式下，数据直接从一端的 TXD 传输到另一端的 RXD，不涉及 Modem 控制信号，因而 必须设置 CLOCAL(即忽略 DCD 信号)，否则 Linux 系统可能会等待 Modem 信号（DCD）而造成阻塞 open()。

`CLOCAL` 状态	DCD（数据载波检测）作用	适用场景
设置（`CLOCAL`=1）	忽略 DCD 信号，串口随时可用	直接设备通信（嵌入式 UART）
清除（`CLOCAL`=0）	`open()` 可能会阻塞，等待 Modem 响应	传统 RS-232 Modem 连接

九线制这种串口模式的各引脚信号介绍下：

信号名	方向	功能
TXD (Transmit Data)	设备 → Modem	发送数据
RXD (Receive Data)	Modem → 设备	接收数据
GND (Ground)	-	参考地
RTS (Request to Send)	设备 → Modem	设备请求发送数据
CTS (Clear to Send)	Modem → 设备	Modem 允许设备发送数据
DTR (Data Terminal Ready)	设备 → Modem	设备准备就绪
DSR (Data Set Ready)	Modem → 设备	Modem 设备准备就绪
DCD (Data Carrier Detect)	Modem → 设备	Modem 发现远程连接
RI (Ring Indicator)	Modem → 设备	有来电时 Modem 拉高此信号

此时，如果 CLOCAL 关闭，Linux TTY 子系统会监听 DCD（数据载波检测） 信号，只有当 Modem 端 DCD 变为高电平时，open("/dev/ttyS0") 才会成功，否则可能会阻塞。

(4) `c_lflag`：TTY终端的本地输入处理方式

c_lflag（本地模式标志）字段用于控制 Linux TTY（终端）子系统 的本地输入处理方式。它的主要作用是影响终端如何处理 行编辑、信号、回显 等功能。

#define ECHO    0x00000008  // 使能回显
#define ECHOE   0x00000010  // 擦除时回显
#define ICANON  0x00000002  // 启用规范模式（行缓冲模式）
#define ISIG    0x00000001  // 使能信号处理（如 `Ctrl+C` 触发 SIGINT）

以上配置值的详细解释如下：

字段解析

宏定义	值	作用
`ECHO`	`0x08`	输入字符时回显到终端，即在屏幕上显示用户输入内容
`ECHOE`	`0x10`	启用 ERASE（退格）字符的回显，即按 `Backspace` 时，光标回退并删除字符
`ICANON`	`0x02`	启用规范模式（Canonical Mode），即输入按行缓冲处理，需要 `Enter` 确认输入
`ISIG`	`0x01`	使能信号处理，如 `Ctrl+C` 触发 `SIGINT`，`Ctrl+Z` 触发 `SIGTSTP`

详细解析
1. ECHO（回显输入）

使能 ECHO 后，终端会显示用户输入的字符，适用于一般交互式终端（如 bash）。
关闭 ECHO 时，用户输入不会回显（如输入密码时 sudo 命令隐藏输入）。

示例：

struct termios options;
tcgetattr(fd, &options);
options.c_lflag &= ~ECHO;  // 禁用回显（输入不可见）
tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);

应用场景：

关闭回显：sudo、passwd 命令的密码输入
开启回显：默认的终端输入

2. ECHOE（回显擦除）

仅在 ICANON 开启时生效（行缓冲模式）。
启用 ECHOE 后：
- 按 Backspace (ERASE 控制字符) 时，会删除屏幕上最后一个字符。
- 光标会回退，使用户可见删除效果。
若 ECHOE 关闭，则 Backspace 只会在缓冲区中删除字符，但不会在屏幕上反映删除效果。

示例：

struct termios options;
tcgetattr(fd, &options);
options.c_lflag |= ECHOE;  // 使能退格回显
tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);

应用场景：

终端文本编辑，Backspace 可见删除字符

3. ICANON（规范模式）

开启（默认）：
- 行缓冲：用户输入会被缓冲，直到按 Enter（\n）才会发送到程序处理。
- 支持行编辑：Backspace、Ctrl+U（清除行）等可用。
关闭（原始模式）：
- 字符缓冲：每输入一个字符就立即发送到程序（常用于 vim、ssh 等终端应用）。
- 不支持行编辑：退格不会删除字符，输入不可编辑。

示例：

struct termios options;
tcgetattr(fd, &options);
options.c_lflag &= ~ICANON;  // 关闭规范模式，启用原始模式
tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);

应用场景：

规范模式：终端交互（bash 命令行）
原始模式：vim、nano、游戏程序（即时处理键盘输入）

4. ISIG（启用信号）

使能 ISIG 后，终端会解析特殊控制字符：
- Ctrl+C → 发送 SIGINT 终止进程
- Ctrl+Z → 发送 SIGTSTP 暂停进程
- Ctrl+\ → 发送 SIGQUIT 终止进程并生成 core dump
关闭 ISIG 后，这些快捷键不再生效，程序不会因为 Ctrl+C 退出。

示例：

struct termios options;
tcgetattr(fd, &options);
options.c_lflag &= ~ISIG;  // 关闭信号处理
tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);

应用场景：

启用 ISIG：正常的 bash 终端，可以使用 Ctrl+C 终止进程。
禁用 ISIG：
- 交互式程序不希望 Ctrl+C 退出（如 Vim）。
- 游戏程序或某些嵌入式系统防止误操作。

表格总结

标志位	作用	关闭后的影响
`ECHO`	用户输入字符时会回显	输入不可见（如密码输入）
`ECHOE`	`Backspace` 退格时删除并回显	退格仍可删除字符，但不会回显
`ICANON`	行缓冲模式，`Enter` 提交输入	变为字符缓冲模式，每个字符立刻传递
`ISIG`	`Ctrl+C`、`Ctrl+Z` 触发信号	这些快捷键失效，不会终止进程

常见应用

关闭回显（密码输入）：
```
options.c_lflag &= ~ECHO;
```
关闭规范模式（即时输入）：
```
options.c_lflag &= ~ICANON;
```
禁用 Ctrl+C 终止进程：
```
options.c_lflag &= ~ISIG;
```
启用 Backspace 退格回显：
```
options.c_lflag |= ECHOE;
```

小结

ECHO：控制输入字符是否回显。
ECHOE：控制 Backspace 时是否回显删除。
ICANON：控制是否 逐行缓冲（规范模式）。
ISIG：控制是否解析 特殊终端信号（Ctrl+C、Ctrl+Z 等）。

(5) `c_cc[NCCS]`：特殊控制字符

存储特殊控制字符（如 EOF、ERASE、VINTR）。

options.c_cc[VMIN]  = 1;  // 最少读取 1 字节才返回
options.c_cc[VTIME] = 0;  // 读取超时时间（0 = 不超时）

VMIN：最小读取字节数
VTIME：超时时间（单位：1/10 秒）

(6) `c_ispeed` / `c_ospeed`：输入/输出波特率

设置串口的收发速率。

#define B9600    9600
#define B115200  115200

示例

cfsetispeed(&options, B115200);  // 设置输入波特率为 115200
cfsetospeed(&options, B115200);  // 设置输出波特率为 115200

3. 代码示例

以下是一个串口初始化的示例代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <termios.h>int set_serial(int fd) {struct termios options;// 1. 获取当前配置if (tcgetattr(fd, &options) != 0) {perror("tcgetattr error");return -1;}// 2. 设置波特率cfsetispeed(&options, B115200);cfsetospeed(&options, B115200);// 3. 配置控制模式options.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD); // 本地连接, 使能接收options.c_cflag &= ~CSIZE;options.c_cflag |= CS8; // 8 数据位options.c_cflag &= ~PARENB; // 无校验options.c_cflag &= ~CSTOPB; // 1 停止位// 4. 配置输入输出模式options.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY); // 关闭软件流控options.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG); // 关闭规范模式options.c_oflag &= ~OPOST; // 关闭输出处理// 5. 设置超时options.c_cc[VMIN]  = 1;options.c_cc[VTIME] = 0;// 6. 刷新缓冲区并应用配置tcflush(fd, TCIFLUSH);if (tcsetattr(fd, TCSANOW, &options) != 0) {perror("tcsetattr error");return -1;}return 0;
}int main() {int fd = open("/dev/ttyS0", O_RDWR | O_NOCTTY);if (fd < 0) {perror("open serial port error");return -1;}if (set_serial(fd) == 0) {printf("Serial port configured successfully\n");}close(fd);return 0;
}