树莓派ttyAMA0串口读取延迟过高问题优化咨询

问题描述 #

我在树莓派上搭建软PLC，已为PLC任务预留单独核心，延迟可控制在100微秒以内。该PLC需以1Mbps速率进行RS485通信，为避免USB转换器带来额外延迟，使用了树莓派板载串口。目前使用write(SerialId, buf, len)向RS485发送数据时，耗时最高为85微秒；但使用int bytes = read(SerialId, RxBuf, sizeof RxBuf)读取数据时表现极差，耗时可达10毫秒以上。已将串口设置为非阻塞模式且缓冲区足够大，每次读取都会超时，实测读取耗时从几微秒到10毫秒不等。

串口初始化代码：

void SetupSerial(){
    char *portname = "/dev/ttyAMA0";
    int speed=B1000000;
    SerialId = open (portname, O_RDWR | O_NOCTTY | O_SYNC | O_NONBLOCK);
    if (SerialId < 0){
        printf ("FastPLC: Error %d opening %s: %s\n", errno, portname, strerror (errno));
        exit(errno);
    }
    printf ("FastPLC: %s is open\n", portname);
    struct termios tty;
    if (tcgetattr (SerialId, &tty) != 0)    {
        printf ("FastPLC: Error %d from tcgetattr", errno);
        exit(errno);
    }
    cfsetospeed (&tty, speed);
    cfsetispeed (&tty, speed);
    cfmakeraw(&tty);
    tty.c_cc[VTIME] = 0;                //nonblocking
    tty.c_cc[VMIN] = 0;
    if (tcsetattr (SerialId, TCSANOW, &tty) != 0)   {
            printf ("FastPLC: Error %d from tcgetattr", errno);
            exit(errno);
    }
}

优化方案 #

1. 扩大串口接收缓冲区 #

默认串口接收缓冲区较小，在1Mbps速率下易引发频繁中断或数据溢出，直接拉低读取响应速度。通过ioctl调整缓冲区大小：

#include <linux/serial.h>

// 在tcsetattr之前添加以下代码：
struct serial_struct ser_info;
if (ioctl(SerialId, TIOCGSERIAL, &ser_info) == 0) {
    ser_info.rx_buffer_size = 16384; // 设置为16KB，可根据实际需求调整
    if (ioctl(SerialId, TIOCSSERIAL, &ser_info) != 0) {
        printf("FastPLC: Failed to set rx buffer size\n");
    }
}

2. 明确禁用流控机制 #

cfmakeraw可能未完全关闭流控，手动禁用硬件/软件流控避免额外延迟：

// 在cfmakeraw之后添加：
tty.c_cflag &= ~CRTSCTS; // 禁用硬件流控
tty.c_iflag &= ~(IXON | IXOFF | IXANY); // 禁用软件流控

3. 优化VMIN/VTIME参数（适配非阻塞模式） #

当前VMIN=0+VTIME=0会让read立即返回，无数据时频繁调用会触发系统调度延迟。若允许等待至少1字节数据，可调整为：

tty.c_cc[VMIN] = 1;  // 等待至少1字节再返回
tty.c_cc[VTIME] = 0; // 因O_NONBLOCK，无数据时仍会立即返回-1

若必须保持纯非阻塞，建议用poll替代轮询read，仅当有数据时才执行读取：

#include <poll.h>

struct pollfd fds[1];
fds[0].fd = SerialId;
fds[0].events = POLLIN;

// 等待数据，超时时间设为1ms（可按需调整）
int ret = poll(fds, 1, 1);
if (ret > 0 && (fds[0].revents & POLLIN)) {
    int bytes = read(SerialId, RxBuf, sizeof(RxBuf));
    // 处理读取到的数据
}

4. 启用实时调度策略 #

利用预留的单独核心，将PLC进程设置为实时优先级，避免被低优先级进程抢占：

#include <sched.h>

struct sched_param param;
param.sched_priority = 90; // 实时优先级范围1-99，数值越高优先级越高
if (sched_setscheduler(0, SCHED_FIFO, &param) != 0) {
    printf("FastPLC: Failed to set real-time scheduler\n");
}
// 绑定进程到预留核心（假设核心编号为3）
cpu_set_t cpuset;
CPU_ZERO(&cpuset);
CPU_SET(3, &cpuset);
if (sched_setaffinity(0, sizeof(cpu_set_t), &cpuset) != 0) {
    printf("FastPLC: Failed to set CPU affinity\n");
}

5. 禁用串口控制台服务 #

确保板载串口未被系统控制台占用，停止并禁用getty服务：

sudo systemctl stop serial-getty@ttyAMA0.service
sudo systemctl disable serial-getty@ttyAMA0.service

同时修改/boot/cmdline.txt，移除包含console=ttyAMA0的参数，重启树莓派生效。

6. 调整串口FIFO触发阈值 #

树莓派UART支持FIFO触发级别设置，减少中断次数以降低系统开销：

# 设置FIFO触发阈值为1/2满（可选值：1/4、1/2、3/4、满，需硬件支持）
stty -F /dev/ttyAMA0 fifo 1

内容的提问来源于stack exchange，提问作者eSlavko