使用 minicom 及 expect 自動化控制 TTY 設備

簡介
傳統來講，使用 expect script 可以幫助我們自動化一些繁瑣的工作，例如以互動方式登入 SSH，或者進行自動化軟件安裝及部署。那麼，如果我們想要用 expect 去控制 TTY 裝置（例如 UART to USB 開發板、數據機等等），又如何操作呢？以下介紹兩種方法，希望可以幫助大家，輕鬆透過 minicom，進行簡單的自動化。

有人會問，為什麼一定要用 expect 呢？我能先自行 echo command 去 /dev/ttyUSB0，然後再用一個 while loop 去觀察 /dev/ttyUSB0 的輸出，不就可以了嗎？但我發現，這種方法，將會製造一個「空窗期」：如果 tty 硬件十分快，它就有可能在 echo command 執行完成之後，以及在 while loop 開始執行之前，已經將結果輸出。這樣的話，之後才開始的 while loop，就會一直讀不到有 output，然後跌入 infinite loop 之中。理論上，我們可以透過 multi-thread，邊讀 TTY 內容，邊寫 TTY command 去解決這件事，但我覺得，這樣又實在太過小題大做。所以，使用 expect 就是最簡單的方法。

本來，使用 expect 去做 interactive scripting 是一件非常簡單的事情， 但奈何 expect 的文檔十分殘缺，而且上述問題又實在太多人忽略掉，單靠搜查文檔，其實很難去理解這件事。所以，我決定在此記下，希望對其他人也有所幫助。

---

方法一：使用 expect script 直接操控 minicom
這種方法最為直覺，你只需要使用 expect，就可以直接與 minicom 連接：

#!/usr/bin/expect
set timeout 10
exec bash -c "echo Hello World"
spawn minicom -D /dev/ttyUSB0 -b 9600 -C /tmp/minicom.log
send "ps"
expect "#"
send_to_user "completed ps command to ttyUSB0"

使用這種方法，expect 會持續監察 spawn 出來的 minicom 中的 stdout，並且會把 send 的內容傳送回 minicom 的 stdin 中，所以，它就能與 minicom 直接進行互動。然後，使用 exec 加上 bash，就能執行各種各樣非 expect 的 commands。這種情況，minicom 負責所有與 tty 裝置的內容收發。 

不過，如果你打算運行很多非 expect 的 commands 的話，這種方法就會變得很慢，並且難以理解。因為每次運行 bash commands，都要先 exec bash，然後再在 bash 中運行 command。

---

方法二：使用 bash 開啟 minicom，並透過查看 minicom 的 log 與 tty 裝置互動
這種方式較為間接，使用 bash 作為主力，expect 則成為其中一個 bash command：

#!/bin/bash
echo "Hello World"
minicom -D /dev/ttyUSB0 -b 9600 -C /tmp/minicom.log" &
PID_MINICOM=$#
expect -c '
    timeout 10
    spawn tail -Fn0 /tmp/minicom.log
    exec bash -c "echo ps > /dev/ttyUSB0"
    expect "#"
    send_to_user "completed ps command to ttyUSB0"
'
kill $PID_MINICOM

以上的代碼，bash 會先在背景開啟 minicom。接著，bash 會開啟一個 expect process，並且持續監察 minicom 的 log 輸出。如果 expect 想要與 tty 互動，由於 tail 的 stdin 並沒有任何作用，它將不能使用 send。所以，你需要把內容自行用 exec bash，再用 echo 把  command 內容 redirect (>) 進 /dev/ttyUSB0。

這種做法，雖然看起來比較複雜，但如果你打算使用 bash 作為為最主要的語言，它所產生的系統開銷會少很多（因為不需要頻繁開新 bash）。但反的來說，如果你的 script 打算主力運行 expect，並需要與 TTY 有很多互動的話，這種方法就比較緩慢：因為每一次 send TTY command，它也需要 exec 一個新的 bash。

---

小結
使用 expect 能使用非常短的語法，解決與 TTY device 互動所產生的各種問題。是次我分別介紹了以 expect 為主，以及用 bash 為主的兩種 expect script 寫法，以滿足不同情況的需要。