C#在.NET 2.0环境下实现对并口的直接控制

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简介：在.NET 2.0环境下，C#可以通过调用Win32 API函数直接控制并行端口（LPT口），无需额外驱动程序。并口常用于与老旧设备如打印机或彩票机的数据交互。本文将详细探讨如何实现这一功能，包括基本并口知识、SPP和EPP模式，以及使用P/Invoke技术调用Windows API，实现并口的打开、数据读写操作。重点强调了实现过程中的错误处理和系统稳定性保障。

1. .NET 2.0环境下C#直接控制并口

在.NET 2.0环境下，使用C#语言直接对并行端口进行控制是可能的，尽管这听起来似乎与现代计算机硬件接口的趋势背道而驰。本章节将带您了解如何在Windows平台上，通过C#代码与计算机的物理并口进行交互。

并行端口，也称为打印机端口，是一种较老的硬件接口技术，主要用于连接打印机、扫描仪等外部设备。虽然USB接口已逐渐取代并口成为主流，但在某些工业控制和特定应用场合，直接控制并口仍然具有其独特的价值。

在开始之前，我们需要知道.NET 2.0默认并不直接支持并口操作。要实现在C#中控制并口，我们将借助Win32 API函数，并使用P/Invoke技术（Platform Invocation Services，平台调用服务）来调用这些本地API函数。接下来的章节将详细讨论这些技术的实现方法和优化策略。

2. 并行端口基础知识介绍

并行端口的历史可以追溯到个人计算机的早期，当时为了连接打印机和其他外围设备，它成为了计算机体系结构的一个重要组成部分。随着技术的发展，尽管现在更常用USB端口，但并行端口在某些特定的应用中仍然保持着其重要性，特别是在需要直接硬件交互的场合。本章节将详细介绍并行端口的相关基础知识，包括其历史背景、电气特性、针脚布局及其信号类型。

2.1 并行端口的历史和标准

2.1.1 并行端口的起源和发展

并行端口最初是为了连接打印机而设计的，它允许计算机并行地传输多个比特的数据，因此得名。最初的并行端口是IBM PC在1981年引入的，并迅速成为了计算机连接打印机的标准接口。这些早期的端口被称为标准并行端口（Standard Parallel Port, SPP），速度慢且功能有限。随着时间的推移，为了提高速度和功能，出现了多种改进版本，如增强并行端口（Enhanced Parallel Port, EPP）和扩展能力端口（Extended Capabilities Port, ECP）。

2.1.2 标准并行端口的电气特性

标准并行端口使用了一个25针的D型连接器，它支持8位并行数据传输。除了数据线之外，还有一组用于控制打印机操作的信号线和一组用于传递打印机状态信息的信号线。SPP的工作电压为+5V，其数据传输速率受限于电平转换和电缆长度，一般情况下，典型传输速度为150KB/s到500KB/s。电气上，SPP并不复杂，它的信号线被设计为可以直接驱动简单的外围设备，如打印机。

2.2 并行端口的针脚布局与信号类型

2.2.1 主要针脚的功能描述

并行端口的针脚可以分为三类：数据针脚、控制针脚和状态针脚。数据针脚（针脚2到针脚9）用于数据的传输，控制针脚（针脚1,10,11,12,13,15）用于发送控制信号，而状态针脚（针脚10,11,12,13,15）用于获取设备状态信息。这些针脚的功能设计使得并行端口能够方便地实现数据的发送和接收，以及对外围设备的基本控制。

2.2.2 数据、控制和状态信号

数据信号是由计算机向外围设备发送的实际数据比特。控制信号用于初始化和管理数据传输过程，比如，当一个设备准备接收数据时，它可以通过控制信号线发送一个信号给计算机。状态信号提供了设备当前的工作状态，例如，设备是否在线、是否准备就绪、是否有错误发生等。这些信号线的存在，使得并行端口能够提供一种双向通信机制，而不仅仅是简单的单向数据流。

为了更好地理解这些概念，下面用一张表格来总结针脚的功能：

| 针脚编号 | 名称 | 描述 | |:------:|:----:|:----:| | 1 | Strobe (STRB) | 表示数据稳定并且可以被读取 | | 2-9 | Data Bit 0-7 | 并行传输的数据线 | | 10 | Acknowledge (ACK) | 设备已接收数据并准备好接收下一批数据 | | 11 | Busy (BUSY) | 设备忙，不能接收数据 | | 12 | Paper Out (PAPEROUT) | 纸张用尽信号 | | 13 | Select (SELECT) | 设备被选定，可以接收数据 | | 14 | Linefeed (LF) | 纸张前进一格信号 | | 15 | Error (ERROR) | 设备错误信号 | | 16-17 | Ground | 接地针脚 | | 18-25 | 未定义 | 在标准并行端口中未定义 |

在了解了并行端口的历史、电气特性和针脚布局之后，下一步将探讨不同并行端口模式的特点和应用场景。这将包括标准并行端口（SPP）和增强并行端口（EPP），这两种模式在数据传输效率和设备控制方面有明显的差异。

3. SPP与EPP模式区别

并行端口作为计算机早期的硬件接口之一，其功能和性能随着技术的演进得到了显著的增强。SPP（Standard Parallel Port）和EPP（Enhanced Parallel Port）是两种最常用的并行端口模式，它们各自具有独特的特点和适用场景。在本章节中，我们将详细探讨这两种模式的区别。

3.1 标准并行端口（SPP）模式

3.1.1 SPP模式的工作原理

SPP模式，也被称作传统并行端口模式，是最早定义并行端口通信的标准。在SPP模式下，数据以字节为单位进行传输，且传输过程是单向的。SPP模式支持三种基本操作：数据输出、数据输入和状态查询。

数据输出时，处理器将数据写入端口的数据寄存器，并且数据寄存器的值通过并行电缆传递到外设。数据输入则是相反的操作，外设将数据放置在数据寄存器上，然后处理器从该寄存器读取数据。状态查询则是通过查询状态寄存器来获取当前外设的状态信息。

3.1.2 SPP模式的优缺点分析

优点

简单性 ：SPP模式操作简单，易于实现，因此它成为早期并行端口通信的基础。
兼容性 ：大多数的并行设备都支持SPP模式，因此它具有很高的兼容性。

缺点

传输速度较慢 ：SPP模式由于是单向传输，且不支持数据的缓冲，因此传输速度较慢。
效率低下 ：在数据传输过程中，CPU需要等待直到数据传输完成，这降低了系统的整体效率。

3.2 增强并行端口（EPP）模式

3.2.1 EPP模式的特点和优势

EPP模式在SPP的基础上进行了改进，它是一种高速双向通信协议，旨在提供更高的数据传输速率和更好的性能。EPP模式通过引入握手信号和状态机来控制数据的传输，使得数据可以以字节为单位进行双向传输。

EPP模式的优势在于其高速的数据传输能力，这对于需要大量数据交换的外围设备，如打印机和扫描仪来说，是一个显著的改进。

3.2.2 EPP模式下的数据传输效率

EPP模式的传输效率远高于SPP模式，因为它支持直接内存访问（DMA），允许外设直接与系统内存进行数据交换，减少了CPU的介入，从而提高了传输速率。此外，EPP模式还具有错误检测和纠正机制，增强了数据传输的可靠性。

EPP模式的传输速率可以达到2MB/s，这对于当时的外围设备而言是一个显著的性能提升。

表格展示SPP与EPP对比

| 特性 | SPP模式 | EPP模式 | |--------------|-----------------|-----------------| | 传输速度 | 较慢 | 更快 | | 数据传输方式 | 单向 | 双向 | | CPU介入程度 | 高 | 低 | | 兼容性 | 高 | 较低 | | 错误检测 | 无 | 有 | | 传输协议 | 简单的握手协议 | 改进的握手协议 |

代码示例：SPP与EPP模式实现对比

以下是使用C#在.NET 2.0环境下进行SPP和EPP模式下的数据写入和读取操作的示例代码：

using System;using System.Runtime.InteropServices;using System.IO.Ports;class ParallelPortCommunication{ // 使用Win32 API的声明 [DllImport(\"kernel32.dll\", SetLastError = true)] public static extern IntPtr CreateFile( string lpFileName, [MarshalAs(UnmanagedType.U4)] uint dwDesiredAccess, [MarshalAs(UnmanagedType.U4)] uint dwShareMode, IntPtr lpSecurityAttributes, [MarshalAs(UnmanagedType.U4)] uint dwCreationDisposition, [MarshalAs(UnmanagedType.U4)] uint dwFlagsAndAttributes, IntPtr hTemplateFile); // 定义Win32 API中用于打开并行端口的常量 const uint GENERIC_WRITE = 0x40000000; const uint GENERIC_READ = 0x80000000; const uint OPEN_EXISTING = 3; // 打开并行端口 IntPtr hParallelPort = CreateFile(\"COM1:\", GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, 0, IntPtr.Zero, OPEN_EXISTING, 0, IntPtr.Zero); // 检查端口是否成功打开 if (hParallelPort == IntPtr.Zero) { Console.WriteLine(\"Error: Parallel port could not be opened.\"); return; } // ... 进行端口读写操作 ...}

在上述代码中，我们首先使用了 CreateFile 函数，这是Win32 API中用于打开文件或设备的函数，这里我们用它来打开并行端口。我们声明了所需的权限 GENERIC_WRITE 和 GENERIC_READ ，以及打开方式 OPEN_EXISTING 。如果端口成功打开，我们将获取到一个指向该端口的指针 hParallelPort ，之后就可以对这个端口进行读写操作。

结论

SPP和EPP模式在并行端口的发展史上都扮演了重要的角色。虽然EPP模式在传输效率和性能上优于SPP模式，但SPP模式由于其简单性和广泛的设备支持，在一些特定的使用场景下仍然有其独特的优势。了解这两种模式的区别有助于开发者根据实际需要选择最合适的通信协议，优化并行端口的数据传输性能。

4. Win32 API函数在C#中的调用

4.1 Win32 API概述及作用

4.1.1 Win32 API的定义和重要性

Win32 API，全称为Windows 32位应用程序接口（Application Programming Interface），是微软为其Windows操作系统提供的基础编程接口集合。这些接口允许开发者进行系统级调用，直接与操作系统进行交互，执行诸如文件管理、设备控制、进程管理和网络通信等任务。Win32 API是Windows应用程序开发的核心，是许多Windows底层程序和驱动程序的基础。

Win32 API的重要性在于其提供了与操作系统沟通的桥梁。通过Win32 API，开发者能够编写出更接近系统底层的程序，实现高性能和高可靠性的应用。这种能力在需要精确控制硬件资源或者执行高速数据处理的应用中显得尤为关键。

4.1.2 Win32 API与.NET框架的关系

.NET框架作为一种高级的程序设计模型，旨在简化各种编程任务，并提供跨语言的代码共享能力。尽管.NET框架拥有自己丰富的类库（例如，System.IO、System.Net），但在某些特殊情况下，开发者可能仍然需要直接调用Win32 API来实现特定的功能。

.NET框架与Win32 API的关系并不是互相替代的，而是互补的。在.NET框架中，通过P/Invoke（Platform Invocation Services）技术，开发者可以调用Win32 API函数，就像调用.NET框架中的其他方法一样。这种能力让.NET开发者能够充分利用现有的Windows资源，增强其应用的功能。

4.2 C#中Win32 API的调用方法

4.2.1 使用P/Invoke技术

P/Invoke是一种让C#等.NET语言能够调用非托管代码的技术，特别适用于调用Win32 API。通过P/Invoke，可以在C#代码中声明一个本地方法的签名，并使用 DllImport 属性来导入相应的非托管库中的函数。

下面是一个使用P/Invoke技术调用Win32 API的简单示例：

using System;using System.Runtime.InteropServices;public class Win32Interop{ // 声明要调用的Win32 API函数 [DllImport(\"kernel32.dll\", SetLastError = true)] public static extern IntPtr OpenProcess( uint dwDesiredAccess, bool bInheritHandle, int dwProcessId); // 其他Win32 API函数声明...}

在这个示例中， DllImport 属性指明了包含目标Win32 API函数的动态链接库（DLL）的名称，以及是否记录错误信息等其他重要属性。通过这种方式，开发者能够在C#中访问和使用底层的Windows服务。

4.2.2 封装Win32 API的方法和技巧

由于直接使用Win32 API可能会让代码变得复杂并且难以维护，因此，封装Win32 API是一个好的实践。封装可以让API调用更加简洁、易于理解和使用，同时还能将底层细节的复杂性隐藏起来。

封装Win32 API通常涉及以下步骤：

声明目标API函数的签名。
创建一个或多个辅助类，用于封装这些函数。
提供一个清晰的接口，用于在应用程序中调用这些API。
对于复杂的功能，提供高级抽象层。
对于可选的、低级的或者不安全的功能，提供一个显式的、可选的API。

下面是一个封装Win32 API的示例代码：

public class ProcessHelper{ // 使用P/Invoke技术声明OpenProcess函数 [DllImport(\"kernel32.dll\", SetLastError=true)] private static extern IntPtr OpenProcess(uint dwDesiredAccess, bool bInheritHandle, int dwProcessId); // 提供一个公共方法封装对OpenProcess的调用 public static IntPtr GetProcessHandle(int processId) { const uint PROCESS_ALL_ACCESS = 0x1F0FFF; IntPtr processHandle = OpenProcess(PROCESS_ALL_ACCESS, false, processId); if (processHandle == IntPtr.Zero) { throw new Exception(\"OpenProcess failed.\"); } return processHandle; } // 其他封装的API方法...}

通过封装，开发者可以向其他程序员提供一个更简洁、更容易理解的接口，同时保留了底层功能的全部能力。这种抽象层能够有效地隐藏复杂的API调用细节，使得应用程序的其他部分可以更专注于业务逻辑。

封装Win32 API的技巧还包括：

确保资源管理和错误处理逻辑正确无误。
提供文档说明，让其他开发者能够清楚地理解API的用途和限制。
对于经常使用或者复杂的API操作，考虑提供异步版本以提高性能和响应性。
在可能的情况下，使用C#的特性来简化API的使用，例如 try/finally 语句来确保资源的释放。

通过以上步骤，开发者可以有效地利用Win32 API来扩展.NET应用程序的功能，同时也保持代码的清晰和可维护性。

5. P/Invoke技术应用示例及异常处理

5.1 P/Invoke技术原理及应用

5.1.1 P/Invoke技术的定义

P/Invoke（Platform Invocation Services）是.NET框架提供的一种机制，允许托管代码调用非托管的DLL（动态链接库）函数。这是一种在.NET环境中实现与操作系统底层交互的手段，特别是在需要调用Win32 API或C/C++编写的库函数时显得尤为重要。

P/Invoke通过使用 DllImport 属性指定非托管DLL的名称，随后可以在C#代码中直接调用这些DLL中声明的函数。例如，要调用Windows API中的 MessageBox 函数，可以这样声明和使用：

[DllImport(\"user32.dll\", CharSet = CharSet.Auto)]public static extern int MessageBox(int hWnd, String text, String caption, uint type);// 使用MessageBox函数MessageBox(0, \"Hello, World!\", \"Title\", 0);

5.1.2 P/Invoke技术在并口控制中的应用实例

在.NET 2.0环境中，使用P/Invoke技术控制并行端口可以通过调用 WriteFile 、 ReadFile 、 CloseHandle 等Win32 API函数来实现。以下是一个简单的示例，展示了如何使用P/Invoke技术向并行端口写入数据：

using System;using System.Runtime.InteropServices;class Program{ [DllImport(\"kernel32.dll\")] public static extern bool CloseHandle(IntPtr hObject); [DllImport(\"kernel32.dll\")] public static extern bool WriteFile(IntPtr hFile, byte[] lpBuffer, uint nNumberOfBytesToWrite, out uint lpNumberOfBytesWritten, IntPtr lpOverlapped); static void Main() { // 打开并行端口（以COM1为例） IntPtr hPort = CreateFile(@\"\\\\.\\COM1:\", GENERIC_WRITE, 0, IntPtr.Zero, OPEN_EXISTING, FILE_ATTRIBUTE_NORMAL, IntPtr.Zero); if(hPort == INVALID_HANDLE_VALUE) { Console.WriteLine(\"无法打开端口\"); return; } // 要写入的数据（字节表示） byte[] data = { 0x00, 0x02, 0x03, 0x04 }; // 写入数据到并行端口 uint bytesWritten; if(WriteFile(hPort, data, (uint)data.Length, out bytesWritten, IntPtr.Zero)) { Console.WriteLine(\"数据成功写入端口\"); } else { Console.WriteLine(\"写入操作失败\"); } // 关闭端口句柄 CloseHandle(hPort); } const uint GENERIC_WRITE = 0x40000000; const uint OPEN_EXISTING = 3; const int INVALID_HANDLE_VALUE = -1;}

5.2 数据读写实现与异常处理

5.2.1 实现并口数据的读写操作

前面的示例演示了如何向并行端口写入数据，读取操作类似，但需要使用 ReadFile 函数。这里提供一个简单的读取操作示例：

uint bytesRead;byte[] readBuffer = new byte[1];if(ReadFile(hPort, readBuffer, 1, out bytesRead, IntPtr.Zero)){ Console.WriteLine($\"读取到的数据: {readBuffer[0]}\");}else{ Console.WriteLine(\"读取操作失败\");}

5.2.2 并口操作中的异常处理策略

在进行并口操作时，可能会遇到各种各样的异常情况。例如，端口可能已被其他进程占用，或者用户没有足够的权限等。因此，必须在代码中加入适当的异常处理机制。使用 try-catch 块可以捕获和处理这些异常：

try{ // 尝试进行并口操作}catch(ArgumentException ex){ // 处理参数错误的异常 Console.WriteLine(ex.Message);}catch(UnauthorizedAccessException ex){ // 处理权限不足的异常 Console.WriteLine(ex.Message);}catch(Exception ex){ // 处理其他所有异常 Console.WriteLine($\"发生错误: {ex.Message}\");}

5.3 硬件交互的兼容性和安全性考量

5.3.1 硬件兼容性问题及解决方案

硬件设备之间存在兼容性问题是一个常见的难题，特别是在使用并行端口进行硬件交互时。不同设备的电气特性可能不同，一些设备可能需要特定的初始化序列或特殊的时序来正常工作。

解决兼容性问题的一个常见策略是实现“安全的默认”操作。例如，在写入数据之前，可以先读取并行端口的状态，以确保端口处于期望的状态。此外，还可以在设备文档的指导下，编写设备特定的初始化和清理代码。

5.3.2 并口操作的安全风险与防护措施

并口操作可能引起的安全风险包括设备损坏或数据丢失。为此，必须确保代码在控制硬件设备时遵循良好的编程实践。这包括：

确保硬件正确关闭 ：在退出程序之前，确保关闭所有打开的端口句柄。
使用try-finally块 ：确保即使发生异常，也能执行清理操作。
不要超出硬件规格的限制 ：在写入数据前，确保数据在硬件可接受的范围内，避免过电压或过电流损坏硬件。
使用用户界面获取用户确认 ：在执行可能风险较高的操作前，向用户确认以避免意外操作。

通过上述策略，可以减少因并口操作带来的硬件和数据安全风险。