Вопрос «как работать с COM-портами?» стал классическим на многих конференциях по языкам программирования. Рано или поздно чуть не каждому программисту приходится работать с портами ввода/вывода. Сегодня я хочу рассказать про работу с последовательным портом из-под самой распространенной на сегодняшний день 32-разрядной операционной системы — Windows. К статье прилагается пример программы, работающей с COM-портом, написанной на Borland Delphi 7.
Статья построена по принципу «от простого к сложному». Сначала будут изложены основы работы с портами из-под Win32 с описанием необходимых функций. Затем рассмотрим применение этих функций на примере Delphi-программы. Конечным результатом будет класс, предназначенный для работы с COM-портом, и пример использующей его программы.
Очень часто программисту приходится управлять с помощью компьютера каким-либо внешним устройством, или просто анализировать состояние этого устройства. Порты ввода/вывода — самый распространенный способ сопряжения компьютера и внешнего устройства. Давным-давно уже написано множество классов, библиотек и компонент для работы с портами, поэтому можно, конечно, воспользоваться уже готовым и к тому же бесплатным решением. Именно так я и поступил лет семь назад, при этом потеряв самое главное — своевременное понимание того, как все-таки работать с портами из-под Win32. Незнание внутренних механизмов — это, во-первых, пробел в стройном ряду знаний, а во-вторых, актуальная возможность ошибок в работе программы.
С портами из-под Win32 работают так же, как и с обычными файлами, используя при этом всего несколько специфичных функций WinAPI. Однако коммуникационный порт — это не совсем обычный файл. Для него, например, нельзя выполнить позиционирование файлового указателя, или же создать порт, если таковой отсутствует. Любая работа с портом начинается с его открытия. Для этого используется файловая функция WinAPI (описания WinAPI-функций взяты из MSDN (Microsoft Developer Network), следовательно, приводятся в синтаксисе C):
lpFileName — указатель на строку с нулевым завершающим символом. Обычно это имя открываемого файла, но в нашем случае это должно быть название порта (COM1, COM2, …).
dwDesiredAccess — тип доступа. В нашем случае должен быть равен GENERIC_READ|GENERIC_WRITE.
dwShareMode — параметр совместного доступа. Для коммуникационных портов всегда равен 0.
lpSecurityAttributes — атрибут защиты. Для коммуникационных портов всегда равен NULL.
dwCreationDistribution — режим автосоздания. Для коммуникационных портов всегда равен OPEN_EXESTING.
dwFlagsAndAttributes — атрибут режима обработки. Для коммуникационных портов должен быть равен 0 или FILE_FLAG_OVERLAPPED.
hTemplateFile — описатель файла-шаблона. Для коммуникационных портов должен быть равен NULL.
При успешном открытии порта функция возвращает его описатель, а в случае ошибки возвращает INVALID_HANDLE_VALUE.
Сразу оговорюсь: все недостающие описания можно найти на и еще по ряду адресов, которые вам подскажет поисковый сервер.
Из всех параметров функции CreateFile() особого пояснения требует dwFlagsAndAttributes. Работа с портом может быть организована в синхронном (nonoverlapped) или асинхронном (overlapped) режимах обработки, что и задается этим флагом. При синхронном режиме (когда параметр dwFlagsAndAttributes = 0) только один поток приложения может либо читать, либо писать в порт. Помните переговорное устройство в лифте? Нажали кнопку — можем только говорить, отпустили кнопку — можем только слушать.
Синхронный режим обработки прост в реализации. Если надо записать данные в порт, то вызываем функцию записи и ожидаем, пока она не завершится. Если же надо читать данные, то вызываем функцию чтения и ждем, пока она не отработает. Для простых задач синхронный режим обработки вполне подходит, однако в мире Windows он почти всегда обречен на неудачу. Ожидание операции чтения или записи воспринимается пользователем программы как «зависание».
Асинхронный режим (когда параметр dwFlagsAndAttributes = FILE_FLAG_OVERLAPPED) позволяет производить операции чтения и записи в порт параллельно из разных потоков. В то время, пока один поток приложения принимает данные, другой поток может параллельно с первым передавать данные — как при разговоре по телефону, когда вы можете слушать и говорить одновременно. Данный режим обработки больше импонирует идее многозадачности Windows. Но за все надо платить: для реализации этого режима обработки требуется в два раза больше написанного кода, вдобавок, умения писать многопоточные программы. Какой режим выбрать — решайте сами. Но если уж разбираться в работе порта, то разбираться «по-взрослому», до конца, а потому и рассмотрим более сложный вариант — асинхронную обработку.
На практике открытие порта для асинхронного режима обработки из программы на Delphi выглядит примерно так:
hPort := CreateFile(‘COM1’, GENERIC_READ or GENERIC_WRITE, 0, nil, OPEN_EXISTING, FILE_FLAG_OVERLAPPED, 0); if hPort = INVALID_HANDLE_VALUE then raise Exception.Create('Error opening port');
Функция возвращает описатель порта (hPort), который нам потом пригодится для вызова других функций работы с портом. Если в результате открытия порта описатель не получен, то возбуждается исключение с соответствующим текстом ошибки. Открыв порт, мы получаем его в свое распоряжение. Теперь с этим портом может работать только наша программа (точнее, только наш процесс). По окончании работы с портом его следует закрыть, вызвав функцию:
BOOL CloseHandle( HANDLE hObject );
В качестве единственного параметра надо передать полученный ранее описатель порта (hPort).
Хоть система при завершении выполнения программы и освобождает все выделенные ей ресурсы (в том числе и порты), хорошим тоном программирования считается собственноручное закрытие портов. Открывать/закрывать порт как будто несложно. Кроме того, нам потребуется программная настройка порта. Думаю, все видели диалог настройки последовательного порта в диспетчере устройств системы. Все эти настройки мы можем произвести программно. Для этих целей используется функция WinAPI:
BOOL SetCommState( HANDLE hFile, LPDCB lpDCB );
hFile — описатель открытого порта.
lpDCB — указатель на структуру DCB.
Основные параметры последовательного порта описываются структурой DCB. Она содержит массу полей, каждое из которых соответствует определенному параметру настройки порта. Мы рассмотрим несколько полей, которые нам нужны:
BaudRate — скорость передачи данных. Возможно указание констант —CBR_100, CBR_300, CBR_600, CBR_1200, …, CBR_256000.
Parity — схема контроля четности. Может содержать одно из следующих значений: EVENPARITY, MARKPARITY, NOPARITY, ODDPARITY, SPACEPARITY.
ByteSize — число информационных бит в передаваемых и принимаемых байтах.
StopBits — количество стоповых бит. Может быть ONESTOPBIT, ONE5STOPBIT, TWOSTOPBIT.
Чтобы не заполнять структуру DCB вручную, ее можно заполнить информацией о текущем состоянии порта вызовом функции GetCommState(), затем изменить необходимые поля и установить настройки вызовом функции SetCommState(). Настройку порта желательно производить сразу после его открытия. На Delphi это выглядит так:
var Dcb: TDcb; … if not GetCommState(hPort, Dcb) then raise Exception.Create('Error setting port state'); Dcb.BaudRate := CBR_9600; Dcb.Parity := NOPARITY; Dcb.ByteSize := 8; Dcb.StopBits := ONESTOPBIT; if not SetCommState(hPort, Dcb) then raise Exception.Create('Error setting port state');
Еще одна операция, которая нам понадобится сразу после открытия порта — его сброс.
BOOL PurgeComm( HANDLE hFile, DWORD dwFlags );
Вызов этой функции очищает очередь приема/передачи и завершает все находящиеся в ожидании запросы ввода/вывода.
hFile — описатель открытого порта.
dwFlags — производимые действия в виде набора флагов PURGE_TXABORT, PURGE_RXABORT, PURGE_TXCLEAR, PURGE_RXCLEAR.
Пример на Delphi:
if not PurgeComm(hPort, PURGE_TXCLEAR or PURGE_RXCLEAR) then raise Exception.Create('Error purging port');
На этом подготовительная фаза заканчивается, и можно приступать непосредственно к приему/передаче данных. Прием данных у нас будет происходить по событийной схеме; программа будет ожидать прием одного или нескольких символов (байт). Для перевода порта в этот режим необходимо вызвать функцию SetCommMask() с флагом EV_RXCHAR:
if not SetCommMask(hPort, EV_RXCHAR) then raise Exception.Create('Error setting port mask');
Прием и передача данных выполняется функциями ReadFile() и WriteFile(), то есть теми же самыми функциями, которые используются для работы с дисковыми файлами. Вот их описание:
nNumberOfBytesToRead/nNumberOfBytesToWrite — число ожидаемых к приему или предназначенных для передачи байт.
lpNumberOfBytesRead/lpNumberOfBytesWritten — число фактически принятых или переданных байт.
lpOverlapped — адрес структуры OVERLAPPED, используемой для асинхронных операций.
Передача данных является довольно быстрой операцией, поэтому как правило ее выполняют из главного потока приложения. На Delphi это выглядит так:
var dwWrite: DWORD; OverWrite: TOverlapped; WriteBytes: array of Byte; … begin OverWrite.hEvent := CreateEvent(nil, True, False, nil); if OverWrite.hEvent = Null then raise Exception.Create('Error creating write event'); … if (not WriteFile(hPort, WriteBytes, SizeOf(WriteBytes), dwWrite, @OverWrite)) and (GetLastError ERROR_IO_PENDING) then raise Exception.Create('Error writing port'); end;
В данном примере функция WriteFile() выполняет асинхронную запись массива байтов WriteBytes в порт. Она сразу возвращает управление, и запись в порт происходит параллельно с выполнением основного кода потока. Если результат WriteFile() равен False, то это значит, что на момент возврата управления передача массива байтов еще не закончилась. Поэтому код ошибки выполнения WriteFile() в данном случае должен быть равен ERROR_IO_PENDING. Переменная OverWrite — overlapped-структура, необходимая для асинхронных операций.
В принципе, вас не должно волновать, когда закончится передача массива байтов. Зато момент приема одного или нескольких символов действительно важен. Поэтому его можно разбить на две части: инициирование приема и определение момента приема с последующим чтением символов. Поскольку при этом приходится считаться с фактором ожидания приема символа, рекомендуется функции приема данных вынести в отдельный поток. Передавать данные можно и из основного потока приложения, поскольку это происходит довольно быстро. А вот событие приема символа будем ожидать в отдельном потоке.
Рассмотрение работы с потоками в Windows, в частности того, как это реализовано в Delphi, выходит за рамки данной статьи. Предполагаю, что читатель встречался или по крайней мере знаком с этим. Скажу лишь, что у любого потока есть главная функция, которая начинает выполняться после его создания. В Delphi для потоков существует класс TThread, а его главная процедура называется TThread.Execute().
Вот так выглядит главная процедура отдельного потока, которая ожидает появление одного или нескольких символов и считывает их:
procedure TReadThread.Execute; var ComStat: TComStat; dwMask, dwError: DWORD; OverRead: TOverlapped; Buf: array[0..$FF] of Byte; dwRead: DWORD; begin OverRead.hEvent := CreateEvent(nil, True, False, nil); if OverRead.hEvent = Null then raise Exception.Create('Error creating read event'); FreeOnTerminate := True; while not Terminated do begin if not WaitCommEvent(hPort, dwMask, @OverRead) then begin if GetLastError = ERROR_IO_PENDING then WaitForSingleObject(OverRead.hEvent, INFINITE) else raise Exception.Create('Error waiting port event'); end; if not ClearCommError(hPort, dwError, @ComStat) then raise Exception.Create('Error clearing port'); dwRead := ComStat.cbInQue; if dwRead > 0 then begin if not ReadFile(hPort, Buf, dwRead, dwRead, @OverRead) then raise Exception.Create('Error reading port'); // В Buf находятся прочитанные байты // Далее идет обработка принятых байтов end; end; {while} end;
В приведенном примере в потоке крутится цикл, тем самым инициируется ожидание события порта вызовом функции WaitCommEvent(), ожидание же самого этого события задается функцией WaitForSingleObject(). Для определения количества принятых символов используется функция ClearCommError(). Когда количество принятых символов (dwRead) известно, непосредственное чтение символов выполняется функцией ReadFile().
