linux-uart

uart是Universal Asynchronous Receiver and Transmitter的缩写.翻译成中文即为”通用异步收发器”.它是串口设备驱动的封装层。它是linux在tty的基础上又做了一层封装，通过该封装层，可以比较容易的编写新的串口驱动程序。

一、uart数据结构

uart建立在tty之上，它是真实的驱动和tty之间的桥梁，其涉及到的关键数据结构及其相互关系如下图所示：

从上图可以看出，一个uart_driver就对应一个tty_driver，而一个uart_driver可以包括多个uart_state，每个uart_state对应一个uart_device，每个uart_device都有自己的tty_port、uart_port以及收发缓存。

circ_buf是一个发送缓存，在写数据时，当tty层调用驱动提供的写函数时，数据会首先进入circ_buf的环形缓存区，然后由uart_port从缓存区中取数据，将其写入到串口设备中。

当uart_port从串口设备接收到数据时，它会直接将数据放入tty的缓存中（tty缓存属于tty_port），进而放入对应的line discipline的缓存区中。

二、和其它模块的关系

2.1 和上层即tty的关系

从设计的角度上，uart依赖于tty，但是tty并不依赖于uart层存在，所以uart需要提供给tty的接口都以函数指针的形式保存在某种数据结构中，并且会通过tty提供的通用接口注册到tty中，以供tty随后调用，这也是一种很常见的设计方式。uart提供给tty的接口都保存在数据结构tty_operations中，并通过tty_set_operations注册到了tty中。

因此uart需要上层提供一些接口给它，比较重要的几个为

1. alloc_tty_driver：申请一个tty驱动的数据结构
2. tty_set_operations：注册uart的操作函数到tty中。
3. tty_port_init、tty_register_driver：初始化tty_port数据结构、释放tty_port关联的缓存
4. tty_register_driver：注册tty驱动到tty中
   
5. tty_port_register_device_attr：将一个tty设备注册到系统中
   
6. tty_unregister_device：将一个tty设备从系统中删除
   
7. tty_insert_flip_char和tty_insert_flip_string：将字符插入到tty缓存中

标为黑体的为最关键的i几个，在uart的驱动中，所有的驱动都会被设置TTY_DRIVER_DYNAMIC_DEV标记，根据tty中的学习，我们知道这意味着在调用tty_register_driver时，设备不会被注册到系统中，也就是在uart注册驱动时不会将设备添加到系统中，将设备添加到系统中的工作是由tty_port_register_device_attr完成的。一个uart_driver支持的设备数目会被保存在uart_driver数据结构的nr中，并且会保存在相关联的tty_driver的num中，在调用tty_register_driver时，系统会为该设备分配相应数目的设备号（起始设备号取决于驱动是否指定了起始设备号，如果没有指定就由系统分配，否则取驱动设置的）。

2.2 和下层即真实驱动的关系

类似于uart层和tty层的关系，uart层被设计为不依赖于真实的驱动，因而它不会直接调用驱动的函数，所有它需要驱动提供的功能都保存在uart_port的ops字段所指向的数据结构中，驱动需要通过调用uart_register_driver将uart_driver注册到uart框架中，uart_port中的信息由驱动提供并负责填充。

uart框架向驱动提供的几个最主要的接口包括:

1. uart_register_driver：将一个实际的串口驱动uart driver注册到uart框架中，这一步会
   • 分配并初始化相关联的tty_driver
   • 分配与每个uart_state关联的tty_port的数据结构并初始化
   • 将tty驱动注册到tty框架
2. uart_add_one_port：这一步在驱动检测到了实际的物理设备后执行（利用probe或者是手动），根据uart_port的信息配置串口，并将其注册到系统中，利用tty_port_register_device_attr完成。在完成者一步后(在这一步中会先将设备添加到sysfs中，然后发送udev消息)，udev即可得到通知，udev机制会在dev下创建相应的设备节点，随后就可以使用该设备了。
   
3. uart_insert_char：驱动通过该接口将数据送到uart框架，进而送到tty缓存。需要注意的是，利用该接口时往往还要使用tty框架使用的接口tty_flip_buffer_push进一步将数据刷新到tty对应的line discipline中去。当然也可以不做，而由line discipline的程序自己做，比如tty_ldisc_N_TTY就使用了tty_flush_to_ldisc来将数据刷到line discipline中。
   
4. uart_handle_dcd_change：处理载波检测状态改变事件。
   
5. uart_handle_cts_change：处理clear-to-send状态改变事件，这个接口和上一个接口是uart提供的不依赖于tty的事件处理函数，“可以认为”是串口所特有的事件处理。
   

总体上uart和上下层的关系如下图所示：

上层需要使用的下层的接口都是通过数据结构中的函数指针实现的，本图没有将它们画出。

三、读写操作

3.1 打开

类似于tty中的分析，open操作是最关键的操作，它由tty中的open调用，会：

1. 由tty找到uart_driver，这个在注册驱动时会保存在tty中
2. 由uart_driver以及tty的index找到对应的uart_state，tty的index在tty_open时由tty_init_dev调用initialize_tty_struct来设置，实际上即根据设备的设备号找到的
3. 将uart_state保存在tty以及uart_port中
4. 将tty和tty_port关联起来
5. 调用uart_startup将继续初始化uart使得它可以开始工作

3.2 读

读操作实际上就是从设备获取信息，linux tty以及uart的设计中，每个uart接口都对应一个tty，当串口收到数据时，它应该

1. 调用uart_insert_char将数据放入tty缓存或者调用tty_prepare_flip_string/tty_prepare_flip_string_flags来申请一片tty缓存，然后由自己把数据放到tty缓存
2. 调用tty_flip_buffer_push和tty_schedule_flip或者通过其它机制将数据刷到line discipline中，然后由tty对应的line discipline读出数据并返回给用户

3.3 写

写就是将数据写入到设备中，linux tty以及uart的设计中，每个uart接口都对应一个tty，当串口收到数据时，当tty往uart写数据时，它调用了uart的写函数，uart的写函数很简单：

1. 将数据放入uart设备对应的circ_buf中
2. 调用uart_start，该函数会最终调用驱动提供的start_tx函数来启动发送

3.4 其它操作

uart支持的其它操作是通过ioctl来实现的。包括设置串口的波特率，流控方式等等。