Linux下低延迟串行通信

Question

Linux下低延迟串行通信

c++linuxserial-portlow-latencythroughput

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我正在Linux上通过串口实现一种协议。该协议基于请求-响应模式，因此吞吐量受发送数据包并获得响应所需的时间限制。这些设备大多是基于ARM架构且运行Linux >=3.0。我在试图将往返时间降至10ms以下（115200波特率，8数据位，无校验，每个消息7字节）时遇到了麻烦。

哪种IO接口提供的延迟最低：select、poll、epoll还是使用ioctl手动轮询？阻塞或非阻塞IO会影响延迟吗？

我尝试使用setserial设置low_latency标志，但似乎没有效果。

是否有其他方法可以尝试降低延迟？由于我控制所有设备，甚至可能对内核进行修补，但最好不要。

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串行控制器使用的是16550A。

- JustMaximumPower

你使用的是哪种串口接口？USB/串口接口可能会有点慢。 - user149341

你需要检查哪里花费了10毫秒的时间，因为如果这些时间是由另一个设备丢失的，那么你无法进行更多的优化。 - Ottavio Campana

请求和响应消息的大小是多少？如果两者都超过100字节，则无法在<10毫秒（使用115200）内完成往返时间。 - SKi

115200非常慢，因此在传输字节时会有很大的延迟。你最好将波特率提高到921600或更高，甚至更好的选择是切换到千兆以太网。 - TJD

@OttavioCampana 目前时间花费在等待输入上。我正在轮询，直到 ioctl 告诉我有输入可用，然后我读取它。 - JustMaximumPower

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7个回答

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经过与更多工程师的交流，我得出结论：这个问题无法在用户空间内解决。因为我们需要跨越到内核空间，所以我们计划实现一个内核模块，该模块使用我们的协议并提供小于1毫秒的延迟。

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事实证明我完全错了。所有必要的只是增加内核滴答率。默认的100个滴答会添加10毫秒的延迟。 1000Hz和串行进程的负优先级值可以让我达到想要的时间行为。

- JustMaximumPower

有没有相关的链接或文档可以参考？我正在寻找基于虚拟串口的USB通信，速度要比10毫秒更快。需要从微控制器接收数据，并在100微秒左右内立即做出响应。如果可能，我可以尝试1毫秒的速度。 - Rick2047

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@Rick2047 这里有一些关于内核滴答率的文档 https://elinux.org/Kernel_Timer_Systems 。请记住，这个问题/答案是来自2012年的。自那时以来，很多事情已经发生了变化。我不确定这在无滴答内核中是否仍然适用。 - JustMaximumPower

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在Linux上，串口被“包装”成Unix风格的终端结构，这会给你带来1个滴答的延迟，即10毫秒。尝试使用stty -F /dev/ttySx raw low_latency命令进行优化，但不保证有效。

在PC上，你可以直接与标准串口通信，使用setserial /dev/ttySx uart none命令将Linux驱动程序从串口硬件中解除绑定，并通过inb/outb访问端口寄存器来控制端口。我已经尝试过了，效果很好。

缺点是当数据到达时，你无法获得中断信号，必须经常轮询寄存器。

在ARM设备端，你应该能够做同样的事情，但对于异类串口硬件可能会更加困难。

- Dima Tisnek

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以下是关于如何使用setserial在端口的文件描述符上设置低延迟的内容：

ioctl(fd, TIOCGSERIAL, &serial);
serial.flags |= ASYNC_LOW_LATENCY;
ioctl(fd, TIOCSSERIAL, &serial);

- Kuba hasn't forgotten Monica

我正在使用代码进行操作，它会更改延迟计时器（如cat所示），但实际上并不影响延迟。我需要关闭和打开端口，或在设置标志后执行任何操作吗？ - Patrick

你不应该需要做任何其他事情。 - Kuba hasn't forgotten Monica

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似乎你需要以root身份运行代码才能使其正常工作。 - Patrick

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@Patrick 这就是没有检查返回代码的后果 :) - Kuba hasn't forgotten Monica

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serial_struct 位于 <linux/serial.h> 中，顺便一提。 - Alnitak

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简而言之：使用USB适配器和ASYNC_LOW_LATENCY。

我在Modbus上使用了基于FT232RL的USB适配器，速率为115.2 kbs。

使用ASYNC_LOW_LATENCY时，我可以在大约20毫秒内完成5次交易（针对4个设备）。这包括向一个反应时间较慢的设备发送两个交易（响应时间为4毫秒）。

如果不使用ASYNC_LOW_LATENCY，则总时间约为60毫秒。

对于FTDI USB适配器，ASYNC_LOW_LATENCY将芯片本身的字符间计时器设置为1毫秒（而不是默认值16毫秒）。

我目前正在使用自制的USB适配器，我可以将适配器本身的延迟设置为任何我想要的值。将其设置为200微秒可以再节省1毫秒的时间。

- Renate

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这些系统调用都不会影响延迟。如果您想要尽可能快地从用户空间读取和写入一个字节，那么您真的不会比使用简单的read()/write()更好。尝试使用来自另一个用户空间进程的套接字替换串行流，并查看延迟是否有所改善。如果没有改善，则问题可能是CPU速度和硬件限制。

您确定您的硬件能够胜任吗？发现具有引入许多字节延迟的缓冲设计的UART并不罕见。

- Andy Ross

好的，看起来你是正确的。该板使用一个16550A芯片，它具有接收FIFO，并在接收到14个字节后触发中断。现在的问题是如何更改FIFO大小或解决这个问题？ - JustMaximumPower

这只是一个PC串口吗？如果是的话，您可以在Linux驱动程序中查找（看起来在drivers/tty/serial/8250中）是否有一个ioctl提供对FIFO深度的编程控制。 - Andy Ross

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在这些线速度下，无论您如何检查准备情况，都不应该看到那么大的延迟。

您需要确保串行端口处于原始模式（因此您要执行“非规范化读取”），并且VMIN和VTIME设置正确。您希望确保VTIME为零，以便字符间定时器永远不会启动。我可能会从将VMIN设置为1开始，然后进行调整。

系统调用开销与传输时间相比微不足道，因此select() vs. poll()等的选择不太可能产生差异。

- janm

网页内容由stack overflow 提供, 点击上面的

可以查看英文原文，
原文链接

- shodanex · Accepted Answer

请求/响应方案往往效率低下，并且在串行端口上很快就会显现出来。如果您对吞吐量感兴趣，请查看窗口协议，例如Kermit文件发送协议。

现在，如果您想坚持使用自己的协议并减少延迟，选择、轮询和读取都会给您带来大致相同的延迟，因为正如Andy Ross所指出的那样，真正的延迟在于硬件FIFO处理。

如果您幸运的话，可以在不打补丁的情况下调整驱动程序的行为，但仍需要查看驱动程序代码。然而，让ARM处理10 kHz的中断率肯定不利于整个系统性能...

另一个选项是填充您的数据包，使其每次达到FIFO阈值。这也将确认是否存在FIFO阈值问题。

以8N1为例，10毫秒@115200足以传输100字节，因此您现在看到的可能是因为未设置low_latency标志。请尝试：

setserial /dev/<tty_name> low_latency

它会设置"low_latency"标志，当内核在tty层向上移动数据时使用该标志：

void tty_flip_buffer_push(struct tty_struct *tty)
{
         unsigned long flags;
         spin_lock_irqsave(&tty->buf.lock, flags);
         if (tty->buf.tail != NULL)
                 tty->buf.tail->commit = tty->buf.tail->used;
         spin_unlock_irqrestore(&tty->buf.lock, flags);
 
         if (tty->low_latency)
                 flush_to_ldisc(&tty->buf.work);
         else
                 schedule_work(&tty->buf.work);
}

schedule_work调用可能是导致您观察到的10毫秒延迟的原因。