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多线程技术在VC++串口通信程序中的应用研究

来源:互联摘选 日期:2008-07-14 20:46

  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。

BOOL InitComm file://串口初始化,这里只给出关键步骤的代码,下同
{
 HANDLE m_hComm;
 COMMTIMEOUTS m_CommTimeouts;
 m_hComm = CreateFile("COM1", file://在这里只使用串口1
  GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, file://打开类型为可读写
  0, file://以独占模式打开串口
  NULL, file://不设置安全属性
  OPEN_EXISTING,
  FILE_FLAG_OVERLAPPED, file://重叠I/O方式
  0);
 if (m_hComm == INVALID_HANDLE_VALUE) file://打开不成功
  {return FALSE;}
 m_CommTimeouts.ReadIntervalTimeout = 1000;
 file://进行超时设置,读者应根据自己的实际需要设置
 m_CommTimeouts.ReadTotalTimeoutMultiplier = 500;
 m_CommTimeouts.ReadTotalTimeoutConstant = 5000;
 m_CommTimeouts.WriteTotalTimeoutMultiplier = 500;
 m_CommTimeouts.WriteTotalTimeoutConstant = 5000;
 if (!SetCommTimeouts(m_hComm, &m_CommTimeouts))
  {CloseHandle(m_hComm);
   return FALSE;}
 PurgeComm(m_hComm, PURGE_RXCLEAR | PURGE_TXCLEAR | PURGE_RXABORT | PURGE_TXABORT); file://清缓冲
 return TRUE;
}
以上是专门针对COM1的初始化,如果要利用同一函数对不同串口初始化,则要在初始化前先进入代码临界区,以保证在某一时刻只进行一个串口的初始化。

  在串口初始化成功后,就可以建立监控线程处理串口通信事件。下面是该线程的关键代码。

UINT CommThread(LPVOID pParam) file://用于监控串口的工作者线程
{
 BOOL bResult = FALSE;
 if (m_hComm) file://查看端口是否打开,这里m_hComm同上,作者在这里做了简化
  PurgeComm(m_hComm, PURGE_RXCLEAR | PURGE_TXCLEAR | PURGE_RXABORT |    PURGE_TXABORT);
  for (;;) file://只要线程运行,就处于监视端口行为的无限循环
  {
   bResult = WaitCommEvent(m_hComm, &Event, &m_ov);
   file://m_ov是OVERLAPPED类型的成员变量
   if (!bResult)
    { file://进行出错处理}
   else
   {
    Event = WaitForMultipleObjects(4, m_hEvent, FALSE, INFINITE);
    file://无限等待设定的事件发生,数组m_hEvent根据需要定义了须响应的接收,发送,关闭端口事件和OVERLAPPED类型的hEvent事件
    switch (Event)
    { file://读写事件的响应处理过程,在此略}
    }
    return 0;
 }
这样监控主程序就可以使用AfxBeginThread()函数来产生CommThread串口监控线程。如果要实现对所有端口的同时监控,可以分别对端口建立监控线程。

  5 小结

  作为一个机房监控系统的组成部分,本串口通信程序在VC++6.0下编译通过,在使用windows 98/NT的局域网里运行良好。


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