【转】多线程技术在VC++串口通信程序中的应用研究

      1.  概述

　　在现代的各种实时监控系统和通信系统中，在Windows 9X/NT下利用VC++对RS-232串口编程是常用的手段。Windows 9X/NT是抢先式的多任务操作系统，程序对CPU的占用时间由系统决定。多任务指的是系统可以同时运行多个进程，每个进程又可以同时执行多个线程。进程是应用程序的运行实例，拥有自己的地址空间。每个进程拥有一个主线程， 同时还可以建立其他的线程。线程是操作系统分配CPU时间的基本实体，每个线程占用的CPU时间由系统分配，系统不停的在线程之间切换。进程中的线程共享进程的虚拟地址空间，可以访问进程的资源，处于并行执行状态，这就是多线程的基本概念。

 
      2.  VC++对多线程的支持

　　使用MFC开发是较普遍的VC++编程方法。在VC++6.0下，MFC应用程序的线程由CWinThread对象表示。VC++把线程分为两种：用户界面线程和工作者线程。用户界面线程能够提供界面和用户交互，通常用于处理用户输入并相应各种事件和消息；而工作者线程主要用来处理程序的后台任务。

　　程序一般不需要直接创建CWinThread对象，通过调用AfxBeginThread()函数就会自动创建一个CWinThread对象，从而开始一个进程。创建上述的两种线程都利用这个函数。

　　线程的终止取决于下列事件之一：线程函数返回；线程调用ExitThread()退出；异常情况下用线程的句柄调用TerminateThread()退出；线程所属的进程被终止。

 

      3.  多线程在串口通信中的应用

 

      3.1 串口通信对线程同步的要求

　　因为同一进程的所有线程共享进程的虚拟地址空间，而在Windows 9X/NT系统下线程是汇编级中断，所以有可能多个线程同时访问同一个对象。这些对象可能是全局变量，MFC的对象，MFC的API等。串口通信的几个特点决定了必须采用措施来同步线程的执行。

　　串口通信中，对于每个串口对象，只有一个缓冲区，发送和接收都要用到，必须建立起同步机制，使得在一个时候只能进行一种操作，否则通信就会出错。

　　进行串口通信处理的不同线程之间需要协调运行。如果一个线程必须等待另一个线程结束才能运行，则应该挂起该线程以减少对CPU资源的占用，通过另一进程完成后发出的信号(线程间通信)来激活。

      VC++提供了同步对象来协调多线程的并行，常用的有以下几种：
　　　CSemaphore：信号灯对象，允许一定数目的线程访问某个共享资源，常用来控制访问共享资源的线程数量。
　　　Cmutex：互斥量对象，一个时刻至多只允许一个线程访问某资源，未被占用时处于有信号状态，可以实现对共享资源的互斥访问。
　　　CEvent：事件对象，用于使一个线程通知其他线程某一事件的发生，所以也可以用来封锁对某一资源的访问，直到线程释放资源使其成为有信号状态。适用于某一线程等待某事件发生才能执行的场合。
　　　CCriticalSection：临界区对象，将一段代码置入临界区，只允许最多一个线程进入执行这段代码。一个临界区仅在创建它的进程中有效。

     

      3.2 等待函数

　　Win32 API提供了能使线程阻塞其自身执行的等待函数，等待其监视的对象产生一定的信号才停止阻塞，继续线程的执行。其意义是通过暂时挂起线程减少对CPU资源的占用。在某些大型监控系统中，串口通信只是其中事务处理的一部分，所以必须考虑程序执行效率问题，当串口初始化完毕后，就使其处于等待通信事件的状态，减少消耗的CPU时间，提高程序运行效率。

　　常用的等待函数是WaitForSingleObject()和WaitForMultipleObjects()，前者可监测单个同步对象，后者可同时监测多个同步对象。

　　3.3 串口通信的重叠I/O方式

　　MFC对于串口作为文件设备处理，用CreateFile()打开串口，获得一个串口句柄。打开后SetCommState()进行端口配置，包括缓冲区设置，超时设置和数据格式等。成功后就可以调用函数ReadFile()和WriteFile()进行数据的读写，用WaitCommEvent()监视通信事件。CloseHandle()用于关闭串口。

　　在ReadFile()和WriteFile()读写串口时，可以采取同步执行方式，也可以采取重叠I/O方式。同步执行时，函数直到执行完毕才返回，因而同步执行的其他线程会被阻塞，效率下降；而在重叠方式下，调用的读写函数会立即返回，I/O操作在后台进行，这样线程就可以处理其他事务。这样，线程可以在同一串口句柄上实现读写操作，实现"重叠"。

　　使用重叠I/O方式时，线程要创建OVERLAPPED结构供读写函数使用，该结构最重要的成员是hEvent事件句柄。它将作为线程的同步对象使用，读写函数完成时hEvent处于有信号状态，表示可进行读写操作；读写函数未完成时，hEvent被置为无信号。

      4 程序关键代码的实现

　　程序专门建立了一个串口通信类，下面给出关键成员函数的核心代码。
      串口初始化：

     

                m_hComm = CreateFile(sPort,GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,0,NULL,
		OPEN_EXISTING,FILE_ATTRIBUTE_NORMAL|FILE_FLAG_OVERLAPPED,
		NULL);
	if (m_hComm == INVALID_HANDLE_VALUE)
	{
		return;
	}

	SetupComm(m_hComm,MAXBLOCK,MAXBLOCK);
	SetCommMask(m_hComm,EV_RXCHAR);
	
	timeOuts.ReadIntervalTimeout = MAXDWORD;
	timeOuts.ReadTotalTimeoutMultiplier = 0;
	timeOuts.ReadTotalTimeoutConstant = 0;
	timeOuts.WriteTotalTimeoutMultiplier = 50;
	timeOuts.WriteTotalTimeoutConstant = 2000;
	SetCommTimeouts(m_hComm,&timeOuts);

	DCB dcb;
	if (!GetCommState(m_hComm,&dcb))
	{
		return;
	}
                ......// 设置DCB
               if (SetCommState(m_hComm,&dcb))
	{
		m_pThread = ::AfxBeginThread(CommProc,this,THREAD_PRIORITY_NORMAL,
			0,CREATE_SUSPENDED,NULL);
		if (m_pThread == NULL)
		{
			CloseHandle(m_hComm);
			return;
		}
		else
		{
			m_bConnected = TRUE;
			m_pThread->ResumeThread();
		}
	}
	else
	{
		CloseHandle(m_hComm);
		return;
	}

    串口监听线程：

   

UINT CommProc(LPVOID pParam)
{
	OVERLAPPED os;
	DWORD dwMask;
	DWORD dwTrans;
	COMSTAT comStat;
	DWORD dwErrorFlags;
	CSerialPortByAPIDlg *pDlg = (CSerialPortByAPIDlg *)pParam;

	memset(&os,0,sizeof(OVERLAPPED));
	os.hEvent = CreateEvent(NULL,TRUE,FALSE,NULL);
	if (os.hEvent == NULL)
	{
		AfxMessageBox("无法创建事件对象!");
		return (UINT)-1;
	}
	
	while (pDlg->m_bConnected)
	{
		ClearCommError(pDlg->m_hComm,&dwErrorFlags,&comStat);
		if (comStat.cbInQue)
		{
			WaitForSingleObject(pDlg->m_hPostMsgEvent,INFINITE);
			ResetEvent(pDlg->m_hPostMsgEvent);

			PostMessage(pDlg->m_hWnd,WM_COMMNOTIFY,EV_RXCHAR,NULL);

			continue;
		}
		dwMask = 0;
		if (!WaitCommEvent(pDlg->m_hComm,&dwMask,&os))
		{
			if (GetLastError() == ERROR_IO_PENDING)
			{
				GetOverlappedResult(pDlg->m_hComm,&os,&dwTrans,TRUE);
			}
			else
			{
				CloseHandle(os.hEvent);
				return (UINT)-1;
			}
		}
	}
	CloseHandle(os.hEvent);
	return 0;
}

    完整代码参考附件

 

    5 小结

　 本串口通信程序在VC++6.0下编译通过，附件工程能实现串口常用参数的设置，串口数据的发送及连续发送，串口数据的接收以及接收数据的二进制曲线显示。

   

    注：
    关于同步I/O方式读写串口数据（摘自：Visual C++_Turbo C串口通信编程实践）

    同步方式是比较简单的一种方式，编写的代码的长度要明显少于异步方式。同步方式在Windows98下工作正常，但在Windows2000和XP下测试，接收正常，但一发送数据，程序就会停在那里，原因应该在于同步方式下如果有一个通讯API在操作中，另一个会阻塞直到上一个操作完成，所以，当读数据的线程停留在WaitCommEven的时候，WriteFile就停在那里。后来得知，NT下对串行通信的处理和9X有些不同，根本不要指望在NT或2000下用同步方式同时收发数据。所以，如果程序只打算工作在9x下，为了简单，可以用同步方式写程序，如果在NT下工作，就必须用异步方式写。