12.3 串行通信与重叠I/O
Win 32系统为串行通信提供了全新的服务。传统的OpenComm、ReadComm、WriteComm、CloseComm等函数已经过时，WM_COMMNOTIFY消息也消失了。取而代之的是文件I/O函数提供的打开和关闭通信资源句柄及读写操作的基本接口。
新的文件I/O函数(CreateFile、ReadFile、WriteFile等)支持重叠式输入输出，这使得线程可以从费时的I/O操作中解放出来，从而极大地提高了程序的运行效率。
12.3.1 串行口的打开和关闭
Win 32系统把文件的概念进行了扩展。无论是文件、通信设备、命名管道、邮件槽、磁盘、还是控制台，都是用API函数CreateFile来打开或创建的。该函数的声明为：
HANDLE CreateFile(
LPCTSTR lpFileName, // 文件名
DWORD dwDesiredAccess, // 访问模式
DWORD dwShareMode, // 共享模式
LPSECURITY_ATTRIBUTES lpSecurityAttributes, // 通常为NULL
DWORD dwCreationDistribution, // 创建方式
DWORD dwFlagsAndAttributes, // 文件属性和标志
HANDLE hTemplateFile // 临时文件的句柄，通常为NULL
);
如果调用成功，那么该函数返回文件的句柄，如果调用失败，则函数返回INVALID_HANDLE_VALUE。
如果想要用重叠I/O方式（参见12.3.3）打开COM2口，则一般应象清单12.4那样调用CreateFile函数。注意在打开一个通信端口时，应该以独占方式打开，另外要指定GENERIC_READ、GENERIC_WRITE、OPEN_EXISTING和FILE_ATTRIBUTE_NORMAL等属性。如果要打开重叠I/O，则应该指定 FILE_FLAG_OVERLAPPED属性。
清单12.4
HANDLE hCom;
DWORD dwError;
hCom=CreateFile(“COM2”, // 文件名
GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, // 允许读和写
0, // 独占方式
NULL,
OPEN_EXISTING, //打开而不是创建
FILE_ATTRIBUTE_NORMAL | FILE_FLAG_OVERLAPPED, // 重叠方式
NULL
);
if(hCom = = INVALID_HANDLE_VALUE)
{
dwError=GetLastError( );
. . . // 处理错误
}
当不再使用文件句柄时，应该调用CloseHandle函数关闭之。
12.3.2 串行口的初始化
在打开通信设备句柄后，常常需要对串行口进行一些初始化工作。这需要通过一个DCB结构来进行。DCB结构包含了诸如波特率、每个字符的数据位数、奇偶校验和停止位数等信息。在查询或配置置串行口的属性时，都要用DCB结构来作为缓冲区。
调用GetCommState函数可以获得串口的配置，该函数把当前配置填充到一个DCB结构中。一般在用CreateFile打开串行口后，可以调用GetCommState函数来获取串行口的初始配置。要修改串行口的配置，应该先修改DCB结构，然后再调用SetCommState函数用指定的DCB结构来设置串行口。
除了在DCB中的设置外，程序一般还需要设置I/O缓冲区的大小和超时。Windows用I/O缓冲区来暂存串行口输入和输出的数据，如果通信的速率较高，则应该设置较大的缓冲区。调用SetupComm函数可以设置串行口的输入和输出缓冲区的大小。
在用ReadFile和WriteFile读写串行口时，需要考虑超时问题。如果在指定的时间内没有读出或写入指定数量的字符，那么ReadFile或WriteFile的操作就会结束。要查询当前的超时设置应调用GetCommTimeouts函数，该函数会填充一个COMMTIMEOUTS结构。调用SetCommTimeouts可以用某一个COMMTIMEOUTS结构的内容来设置超时。
有两种超时：间隔超时和总超时。间隔超时是指在接收时两个字符之间的最大时延，总超时是指读写操作总共花费的最大时间。写操作只支持总超时，而读操作两种超时均支持。用COMMTIMEOUTS结构可以规定读/写操作的超时，该结构的定义为：
typedef struct _COMMTIMEOUTS {
DWORD ReadIntervalTimeout; // 读间隔超时
DWORD ReadTotalTimeoutMultiplier; // 读时间系数
DWORD ReadTotalTimeoutConstant; // 读时间常量
DWORD WriteTotalTimeoutMultiplier; // 写时间系数
DWORD WriteTotalTimeoutConstant; // 写时间常量
} COMMTIMEOUTS,*LPCOMMTIMEOUTS;
COMMTIMEOUTS结构的成员都以毫秒为单位。总超时的计算公式是：
总超时=时间系数×要求读/写的字符数 + 时间常量
例如，如果要读入10个字符，那么读操作的总超时的计算公式为：
读总超时＝ReadTotalTimeoutMultiplier×10 + ReadTotalTimeoutConstant
可以看出，间隔超时和总超时的设置是不相关的，这可以方便通信程序灵活地设置各种超时。
如果所有写超时参数均为0，那么就不使用写超时。如果ReadIntervalTimeout为0，那么就不使用读间隔超时，如果ReadTotalTimeoutMultiplier和ReadTotalTimeoutConstant都为0，则不使用读总超时。如果读间隔超时被设置成MAXDWORD并且两个读总超时为0，那么在读一次输入缓冲区中的内容后读操作就立即完成，而不管是否读入了要求的字符。
在用重叠方式读写串行口时，虽然ReadFile和WriteFile在完成操作以前就可能返回，但超时仍然是起作用的。在这种情况下，超时规定的是操作的完成时间，而不是ReadFile和WriteFile的返回时间。
清单12.5列出了一段简单的串行口初始化代码。
清单12.5 打开并初始化串行口
HANDLE hCom;
DWORD dwError;
DCB dcb;
COMMTIMEOUTS TimeOuts;
hCom=CreateFile(“COM2”, // 文件名
GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, // 允许读和写
0, // 独占方式
NULL,
OPEN_EXISTING, //打开而不是创建
FILE_ATTRIBUTE_NORMAL | FILE_FLAG_OVERLAPPED, // 重叠方式
NULL
);
if(hCom = = INVALID_HANDLE_VALUE)
{
dwError=GetLastError( );
. . . // 处理错误
}
SetupComm( hCom, 1024, 1024 ) //缓冲区的大小为1024
TimeOuts. ReadIntervalTimeout=1000;
TimeOuts.ReadTotalTimeoutMultiplier=500;
TimeOuts.ReadTotalTimeoutConstant=5000;
TimeOuts.WriteTotalTimeoutMultiplier=500;
TimeOuts.WriteTotalTimeoutConstant=5000;
SetCommTimeouts(hCom, &TimeOuts); // 设置超时
GetCommState(hCom, &dcb);
dcb.BaudRate=2400; // 波特率为2400
dcb.ByteSize=8; // 每个字符有8位
dcb.Parity=NOPARITY; //无校验
dcb.StopBits=ONESTOPBIT; //一个停止位
SetCommState(hCom, &dcb);
12.3.3 重叠I/O
在用ReadFile和WriteFile读写串行口时，既可以同步执行，也可以重叠（异步）执行。在同步执行时，函数直到操作完成后才返回。这意味着在同步执行时线程会被阻塞，从而导致效率下降。在重叠执行时，即使操作还未完成，调用的函数也会立即返回。费时的I/O操作在后台进行，这样线程就可以干别的事情。例如，线程可以在不同的句柄上同时执行I/O操作，甚至可以在同一句柄上同时进行读写操作。“重叠”一词的含义就在于此。
ReadFile函数只要在串行口输入缓冲区中读入指定数量的字符，就算完成操作。而WriteFile函数不但要把指定数量的字符拷入到输出缓冲中，而且要等这些字符从串行口送出去后才算完成操作。
ReadFile和WriteFile函数是否为执行重叠操作是由CreateFile函数决定的。如果在调用CreateFile创建句柄时指定了FILE_FLAG_OVERLAPPED标志，那么调用ReadFile和WriteFile对该句柄进行的读写操作就是重叠的，如果未指定重叠标志，则读写操作是同步的。
函数ReadFile和WriteFile的参数和返回值很相似。这里仅列出ReadFile函数的声明：
BOOL ReadFile(
HANDLE hFile, // 文件句柄
LPVOID lpBuffer, // 读缓冲区
DWORD nNumberOfBytesToRead, // 要求读入的字节数
LPDWORD lpNumberOfBytesRead, // 实际读入的字节数
LPOVERLAPPED lpOverlapped // 指向一个OVERLAPPED结构
); //若返回TRUE则表明操作成功
需要注意的是如果该函数因为超时而返回，那么返回值是TRUE。参数lpOverlapped在重叠操作时应该指向一个OVERLAPPED结构，如果该参数为NULL，那么函数将进行同步操作，而不管句柄是否是由FILE_FLAG_OVERLAPPED标志建立的。
当ReadFile和WriteFile返回FALSE时，不一定就是操作失败，线程应该调用GetLastError函数分析返回的结果。例如，在重叠操作时如果操作还未完成函数就返回，那么函数就返回FALSE，而且GetLastError函数返回ERROR_IO_PENDING。
在使用重叠I/O时，线程需要创建OVERLAPPED结构以供读写函数使用。OVERLAPPED结构最重要的成员是hEvent，hEvent是一个事件对象句柄，线程应该用CreateEvent函数为hEvent成员创建一个手工重置事件，hEvent成员将作为线程的同步对象使用。如果读写函数未完成操作就返回，就那么把hEvent成员设置成无信号的。操作完成后（包括超时），hEvent会变成有信号的。
如果GetLastError函数返回ERROR_IO_PENDING，则说明重叠操作还为完成，线程可以等待操作完成。有两种等待办法：一种办法是用象WaitForSingleObject这样的等待函数来等待OVERLAPPED结构的hEvent成员，可以规定等待的时间，在等待函数返回后，调用GetOverlappedResult。另一种办法是调用GetOverlappedResult函数等待，如果指定该函数的bWait参数为TRUE，那么该函数将等待OVERLAPPED结构的hEvent 事件。GetOverlappedResult可以返回一个OVERLAPPED结构来报告包括实际传输字节在内的重叠操作结果。
如果规定了读/写操作的超时，那么当超过规定时间后，hEvent成员会变成有信号的。因此，在超时发生后，WaitForSingleObject和GetOverlappedResult都会结束等待。WaitForSingleObject的dwMilliseconds参数会规定一个等待超时，该函数实际等待的时间是两个超时的最小值。注意GetOverlappedResult不能设置等待的时限，因此如果hEvent成员无信号，则该函数将一直等待下去。
在调用ReadFile和WriteFile之前，线程应该调用ClearCommError函数清除错误标志。该函数负责报告指定的错误和设备的当前状态。
调用PurgeComm函数可以终止正在进行的读写操作，该函数还会清除输入或输出缓冲区中的内容。
12.3.4 通信事件
在Windows 95/NT中，WM_COMMNOTIFY消息已经取消，在串行口产生一个通信事件时，程序并不会收到通知消息。线程需要调用WaitCommEvent函数来监视发生在串行口中的各种事件，该函数的第二个参数返回一个事件屏蔽变量，用来指示事件的类型。线程可以用SetCommMask建立事件屏蔽以指定要监视的事件，表12.4列出了可以监视的事件。调用GetCommMask可以查询串行口当前的事件屏蔽。
表12.4 通信事件
事件屏蔽
含义
EV_BREAK
检测到一个输入中断
EV_CTS
CTS信号发生变化
EV_DSR
DSR信号发生变化
EV_ERR
发生行状态错误
EV_RING
检测到振铃信号
EV_RLSD
RLSD(CD)信号发生变化
EV_RXCHAR
输入缓冲区接收到新字符
EV_RXFLAG
输入缓冲区收到事件字符
EV_TXEMPTY
发送缓冲区为空
WaitCommEvent即可以同步使用，也可以重叠使用。如果串口是用FILE_FLAG_OVERLAPPED标志打开的，那么WaitCommEvent就进行重叠操作，此时该函数需要一个OVERLAPPED结构。线程可以调用等待函数或GetOverlappedResult函数来等待重叠操作的完成。
当指定范围内的某一事件发生后，线程就结束等待并把该事件的屏蔽码设置到事件屏蔽变量中。需要注意的是，WaitCommEvent只检测调用该函数后发生的事件。例如，如果在调用WaitCommEvent前在输入缓冲区中就有字符，则不会因为这些字符而产生EV_RXCHAR事件。
如果检测到输入的硬件信号（如CTS、RTS和CD信号等）发生了变化，线程可以调用GetCommMaskStatus函数来查询它们的状态。而用EscapeCommFunction函数可以控制输出的硬件信号（如DTR和RTS信号）。