news 2026/1/13 20:28:30

一文说清虚拟串口软件的驱动通信机制与数据流向

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张小明

前端开发工程师

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一文说清虚拟串口软件的驱动通信机制与数据流向

虚拟串口的“灵魂”在哪里？——深入操作系统内核看数据如何流转

你有没有遇到过这样的场景：
手头有个老式的PLC编程软件，只能通过COM1连接设备；但你的笔记本连个RS-232接口都没有。插上USB转串口线？可以，但只能解决一个设备的问题。如果要测试多个串口通信、做自动化脚本验证、甚至远程调试远在工厂的设备呢？

这时候，“虚拟串口软件”就登场了。

它像变魔术一样，在系统里凭空生成出COM3、COM4……这些端口看起来和物理串口一模一样，应用程序打开就能读写，完全不需要修改代码。可实际上，背后根本没有电线、没有电平信号，只有数据在内存和网络中静静流动。

这背后的机制究竟是怎么实现的？数据到底经历了怎样的旅程？今天我们不讲工具推荐，也不列功能对比，而是带你钻进操作系统的底层，看看虚拟串口到底是如何“骗过”应用、驱动乃至整个通信生态的。

从“硬件思维”到“软件模拟”：串口还能是假的？

我们先来打破一个固有认知：串口的本质不是电缆，而是协议行为。

传统意义上，串口通信依赖于UART芯片、TTL/RS-232电平转换器以及一系列时序控制（波特率、起始位、停止位等）。但在现代系统中，只要一个组件能对外表现出标准串口应有的行为特征——比如支持ReadFile()/WriteFile()调用、响应SetCommState()配置、触发WaitCommEvent事件——那么对上层应用来说，它就是“真实”的。

这就是虚拟串口的核心思想：行为模拟 > 物理存在。

无论是Windows下的COMx，还是Linux中的/dev/ttySx或/dev/pts/N，它们本质上都是操作系统提供的设备抽象接口。而虚拟串口所做的，就是在这一层插入自己的逻辑，把原本该发往硬件的数据，重定向到管道、套接字或者共享内存中。

听起来简单，但要做到“无感知”，就必须深入到驱动级甚至内核态去拦截和处理每一个I/O请求。

Windows的秘密武器：WDM驱动与IRP的博弈

在Windows世界里，一切设备操作最终都会被转化为一种统一的数据结构——I/O请求包（IRP, I/O Request Packet）。无论你是调用CreateFile("COM3")还是ReadFile(hCom, ...)，这些Win32 API最终都会由I/O管理器打包成IRP，并送往对应的设备栈进行处理。

虚拟串口的关键，就在于注册一个能接收并正确响应这些IRP的驱动程序。

驱动如何“冒充”真实串口？

Windows使用WDM（Windows Driver Model）模型来组织设备驱动。对于串口设备，系统期望看到的是一个遵循Serial Class Driver规范的功能驱动。真实的串口卡会有一个微型端口驱动（miniport driver）与之配合；而虚拟串口的做法是：自己实现一个类串口驱动，伪装成ser.sys的行为。

当用户打开COM5时：

  1. I/O Manager查找设备对象链；
  2. 发现该端口由我们的虚拟驱动注册；
  3. 所有后续读写、控制请求都被路由至驱动入口点（DriverEntry）；
  4. 驱动根据IRP类型分发处理。

这就像是给操作系统安插了一个“特工”，所有通往串口的指令都先经过它过一遍。

关键IRP类型与行为模拟

IRP类型驱动需要做什么？
IRP_MJ_CREATE初始化设备上下文，记录句柄引用计数
IRP_MJ_WRITE捕获写入数据，转发至后端（如TCP socket）
IRP_MJ_READ若有缓存数据则立即完成，否则挂起等待
IRP_MJ_DEVICE_CONTROL处理IOCTL命令，如设置波特率、清除缓冲区
IRP_MJ_CLOSE释放资源，断开后端连接

举个例子，当应用调用SetupComm(hCom, 1024, 1024)时，实际上是发送了IOCTL_SERIAL_SET_QUEUE_SIZE控制码。驱动虽然知道这个缓冲区大小不会影响任何实际硬件，但仍需记录下来，以备查询。

再比如设置波特率：

case IOCTL_SERIAL_SET_BAUD_RATE: ULONG newBaud = ((PSERIAL_BAUD_RATE)ioBuffer)->BaudRate; // 即使没有真实线路，也要保存配置 deviceExt->CurrentBaudRate = newBaud; // 可用于日志、协商或模拟延迟 break;

虽然这只是“演戏”，但如果你不处理这个请求，某些严谨的应用程序可能会报错退出——因为它们认为“无法设置波特率=设备异常”。

所以，好的虚拟串口不仅要功能可用，更要“演技到位”。

如何模拟中断？DPC机制出场

真实串口收到数据时会触发硬件中断，通知CPU有新数据到达。但虚拟串口没有中断源怎么办？

答案是：用延迟过程调用（DPC, Deferred Procedure Call）来模拟。

假设你的虚拟串口正在监听某个TCP端口。当网络数据到来时，你可以这样做：

VOID OnNetworkDataReceived(PVOID context, PUCHAR data, UINT len) { PDEVICE_EXTENSION devExt = (PDEVICE_EXTENSION)context; // 将数据放入接收缓冲区 CopyToReceiveBuffer(devExt, data, len); // 模拟“中断”：触发DPC执行下半部 KeInsertQueueDpc(&devExt->DataArrivalDpc, NULL, NULL); } // DPC例程：唤醒等待读取的线程 VOID DataArrivalDpc(IN PKDPC Dpc, ...) { PDEVICE_EXTENSION devExt = Dpc->DeferredContext; // 标记有数据可读 KeSetEvent(&devExt->ReadEvent, IO_SERIAL_BASE_PRIORITY, FALSE); }

这样一来，原来阻塞在ReadFile()的应用就会被唤醒，仿佛真的发生了串口中断。这种机制确保了与真实设备的高度兼容性，连那些使用异步I/O或多线程轮询的老式工业软件也能正常运行。

Linux的巧妙解法：PTY不是终端，也能当串口用

如果说Windows走的是“正统驱动路线”，那Linux则更擅长“借壳上市”——利用现有的机制达成目的。

在Linux中，最常用的虚拟串口实现方式之一就是伪终端（PTY, Pseudo Terminal）。

PTY本来是干啥的？

PTY最初是为了支持终端仿真设计的，比如SSH登录时，服务器端会分配一对设备：

  • 主端（master）：由sshd进程控制；
  • 从端（slave）：表现为/dev/pts/1，shell进程认为自己连在一个真实终端上。

这种主从结构恰好适合用来构建虚拟串口对：
让应用程序打开从端当作串口，而主端作为“代理”收发数据。

不需要写驱动？是真的！

这是Linux方案的一大优势：你可以在用户空间完成大部分工作，无需编写内核模块。

来看一段典型的创建流程：

#include <pty.h> #include <unistd.h> #include <stdio.h> int main() { int master_fd; char slave_name[64]; if (openpty(&master_fd, NULL, slave_name, NULL, NULL) == -1) { perror("openpty"); return -1; } printf("虚拟串口已创建：%s\n", slave_name); // 输出类似 /dev/pts/3 pid_t child = fork(); if (child == 0) { // 子进程：运行串口工具 execl("/usr/bin/cutecom", "cutecom", "-d", slave_name, NULL); } else { // 父进程：模拟设备行为 const char *response = "OK\r\n"; sleep(2); // 等待应用启动 write(master_fd, response, strlen(response)); } close(master_fd); return 0; }

就这么几行代码，你就拥有了一个可被cutecom、minicom甚至Python的pyserial识别的“串口”。父进程可以通过write(master_fd, ...)向应用“发送数据”，也可以read(master_fd, ...)捕获应用发出的指令。

整个过程零特权、零驱动、零重启，非常适合快速原型开发和自动化测试。

它真的能模拟串口吗？能！

尽管PTY原为终端设计，但它支持绝大多数串口关键特性：

  • ✅ 波特率设置（可通过cfsetispeed()）
  • ✅ 数据格式控制（8N1等 viatermios）
  • ✅ 流控信号模拟（DTR/RTS可通过TIOCMGET/TIOCMSETioctl 控制）
  • ✅ 异步事件通知（select()/poll()可用）

唯一的区别是：PTY默认启用了终端处理模式（如回显、换行转换），你需要手动关闭：

struct termios tty; tcgetattr(master_fd, &tty); tty.c_lflag &= ~(ECHO | ICANON); // 关闭回显和行缓冲 tcsetattr(master_fd, TCSANOW, &tty);

一旦关闭“智能终端”行为，PTY就变成了一个干净的字节流通道，完全可以胜任虚拟串口的角色。

数据去哪儿了？一条完整的虚拟串口路径解析

让我们以最常见的应用场景——网络串口透传（Serial-over-IP）为例，完整追踪一次数据的生命周期。

场景设定：

你在本地电脑上打开串口助手，连接虚拟COM4，发送GET_STATUS。这条消息要通过网络，送达远程嵌入式设备的物理串口，并返回结果。

数据流向全解析：

  1. 应用层发起写操作
    c WriteFile(hCom, "GET_STATUS", 10, &written, NULL);
    → 系统将请求转为IRP_MJ_WRITE

  2. 驱动层捕获IRP
    - 虚拟串口驱动截获写请求
    - 将数据暂存至内部缓冲区
    - 启动后台线程准备发送

  3. 传输层封装
    - 本地服务进程（如VSP Manager）通过命名管道或ioctl与驱动通信
    - 数据被打包为JSON或二进制帧：
    json { "cmd": "data", "port": "COM4", "payload": "GET_STATUS" }
    - 经TCP连接发送至远程网关（IP:5001）

  4. 网络传输
    - 数据经以太网/WiFi跨越网络
    - 可选加密（TLS）、压缩、心跳保活

  5. 远程端解包并写入真实串口
    - 网关接收到数据帧
    - 解析后调用write(fd_uart, payload, len)
    - 实际UART控制器将字节逐位发送出去

  6. 设备响应，反向回传
    - 嵌入式设备返回STATUS:OK
    - 网关将其封装回传
    - 本地服务接收后注入虚拟串口接收队列

  7. 应用读取结果
    - 驱动触发ReadEvent
    -ReadFile()成功返回，应用获得响应

整个过程延时通常在毫秒级，吞吐量可达数Mbps，足以满足大多数工业监控需求。

📌关键洞察：在这个链条中，只有最后一步涉及真实硬件，其余环节全是软件定义的通信路径。这就是虚拟化的威力。

工程实践中必须注意的“坑”

别以为搞定了基本通路就万事大吉。在真实项目中，以下几点常常成为稳定性的绊脚石：

1. 缓冲区溢出问题

很多虚拟串口驱动为了简化设计，采用固定大小的FIFO缓冲区。一旦数据涌入速度超过消费速度（例如高频采集传感器数据），就会导致丢包。

✅最佳实践：
- 动态扩容接收队列
- 支持背压机制（如暂停TCP接收）
- 提供缓冲区状态查询接口

2. 超时行为不一致

有些应用设置了严格的读超时（ReadIntervalTimeout=10ms）。如果虚拟串口响应稍慢，就会误判为“设备无响应”。

✅对策：
- 精确模拟各种超时参数
- 在驱动中维护虚拟定时器，及时完成挂起的IRP

3. 流控信号处理缺失

高级串口通信常依赖RTS/CTS硬件流控。若虚拟端口不传递这些信号状态，可能导致高速通信下数据丢失。

✅建议：
- 使用IOCTL_SERIAL_GET_MODEMSTATUS等IOCTL同步状态
- 在网络协议中增加信号线字段

4. 权限与安全性

特别是在Linux环境下，非root用户能否访问/dev/pts/*取决于udev规则和组权限。

而在网络透传场景中，未加密的串口映射等于直接暴露设备接口。

✅安全措施：
- 强制使用TLS加密通道
- 添加身份认证（Token/API Key）
- 配合防火墙限制访问IP

写在最后：虚拟串口不只是“过渡方案”

很多人觉得虚拟串口只是“没办法的办法”——硬件没了，只好靠软件凑。但事实恰恰相反。

随着边缘计算、容器化部署和云平台的发展，通信的“物理绑定”正在被彻底打破。今天的虚拟串口，已经不仅仅是模拟COM口那么简单，它正在演变为一种通用的协议桥接中间件。

你可以：
- 把MQTT消息注入虚拟串口，让老系统“以为”连上了传感器；
- 在Kubernetes Pod中启动PTY服务，实现微服务间的串口语义通信；
- 结合Wireshark抓包分析，构建带审计能力的串口网关；

它的真正价值，不在于“替代”，而在于打通隔离、统一接口、提升可维护性。

如果你正在做嵌入式开发、工业网关集成或自动化测试，不妨试着从“驱动行为”而非“功能列表”的角度去理解虚拟串口。当你明白它是如何一步步欺骗操作系统、又是怎样精心模仿每一个细节时，你会意识到：最强大的技术，往往藏在最不起眼的兼容性背后。

对你来说，虚拟串口是用来“应急”的工具，还是系统架构中的一块基石？欢迎在评论区分享你的实战经验。

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