引言

在嵌入式Linux系统开发中，串口通信的实时性是一个常见的技术挑战。

许多开发者会遇到这样的问题：使用标准的write系统调用发送少量数据，却发现从调用返回到数据真正从物理引脚发出之间存在几十毫秒甚至更长的延时。

本文将深入分析这一现象的根本原因，并提供经过实践验证的优化方案。

问题根源分析

1.

write调用的“假象”

write函数成功返回仅仅表示数据已经复制到内核的发送缓冲区，绝不代表数据已经通过物理线缆发送完成。

实际的发送流程如下：

·

用户空间

内核缓冲区：write调用完成，数据进入内核空间

/>·

硬件FIFO：串口驱动程序逐步将数据推送到硬件发送FIFO

/>·

物理线路：UART控制器按波特率将数据串行化发送

2.

输出处理带来的额外开销

Linux终端子系统默认会对输出数据进行处理，这是导致几十毫秒延时的主要元凶：

·

/>·

各种转换：如ONLCR（换行符转换为回车换行）、OCRNL等字符映射

/>·

填充字符：某些情况下驱动会插入填充字符以满足时序要求

这些处理机制在低速串口上会造成不可预测的阻塞，特别是当流控制机制介入时。

3.

缓冲区调度延迟

内核的串口驱动通常使用中断或DMA方式传输数据，但调度策略、中断处理优先级等因素都可能导致数据在缓冲区中等待较长时间。

优化策略与实践

1.

基础配置：禁用所有输出处理

这是最关键的优化步骤，必须将串口配置为“原始”模式：

```c

/>#include

/>perror("tcgetattr");

/>return

/>perror("tcsetattr");

/>return

同步等待：精确控制发送完成

当需要确保数据真正发送完成时，使用tcdrain：

```c

/>ssize_t

/>perror("tcdrain");

/>return

/>```

配置正确的情况下，对于115200波特率、10字节的数据，tcdrain的等待时间应在1毫秒以内。

3.

非阻塞查询：避免阻塞

如果不想阻塞程序执行，可以使用ioctl查询发送缓冲区状态：

```c

/>int

高级优化：调整FIFO触发阈值

对于极端实时性要求，可以尝试调整串口驱动参数：

```c

/>#include

<linux/serial.h>

int

fd)

/>perror("TIOCGSERIAL");

/>return

/>perror("TIOCSSERIAL");

/>return

/>```

注意：此操作需要内核支持，且某些平台可能不允许修改此标志。

5.

完整示例程序

```c

/>#include

<linux/serial.h>

int

open_serial(const

configure_high_performance_serial(int

fd)

/>perror("tcgetattr");

/>return

/>perror("tcsetattr");

/>return

(configure_high_performance_serial(fd)

<

/>```

性能对比与验证

测试方法

使用示波器监测串口TX引脚，同时记录软件调用时间戳：

```c

/>struct

/>clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC,

data,

/>tcdrain(fd);

clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC,

&end);

/>```

预期结果

配置模式

发送10字节延时(115200)

OPOST是关键：这是解决几十毫秒延时的首要检查点

/>2.

流控必须禁用：如果不使用硬件流控，务必关闭CRTSCTS

/>3.

驱动支持：ASYNC_LOW_LATENCY需要内核驱动支持

/>5.

实时性权衡：更高的实时性可能带来更高的CPU占用

总结

Linux串口通信的几十毫秒延时通常源于终端输出处理子系统的干预，而非内核调度本身。

通过正确配置串口属性，特别是禁用OPOST标志，可以彻底消除这种异常延时。

配合tcdrain精确控制发送完成时机，以及适当的低延迟模式设置，串口通信的实时性可以接近硬件极限。

在实践中，建议：

1.

始终禁用OPOST

tcdrain简单可靠，TIOCOUTQ查询更灵活

/>3.

使用示波器或逻辑分析仪实测延时

通过这些优化，Linux串口完全能够满足大多数工业控制和实时通信场景的需求。