linux设备模型之uart驱动架构分析

 

发布于2013-2-20

 

一：前言

接着前面的终端控制台分析，接下来分析serial的驱动。在linux中，serial也对应着终端，通常被称为串口终端。在shell上，我们看到的/dev/ttyS*就是串口终端所对应的设备节点。

在分析具体的serial驱动之前。有必要先分析uart驱动架构。uart是UniversalAsynchronous Receiver andTransmitter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。

二：uart驱动架构概貌

如下图所示：

上图中红色部份标识即为uart部份的操作。

从上图可以看到，uart设备是继tty_driver的又一层封装。实际上uart_driver就是对应tty_driver.在它的操作函数中，将操作转入uart_port.

在写操作的时候，先将数据放入一个叫做circ_buf的环形缓存区。然后uart_port从缓存区中取数据，将其写入到串口设备中。

当uart_port从serial设备接收到数据时，会将设备放入对应linediscipline的缓存区中。

这样。用户在编写串口驱动的时候，只先要注册一个uart_driver.它的主要作用是定义设备节点号。然后将对设备的各项操作封装在uart_port.驱动工程师没必要关心上层的流程，只需按硬件规范将uart_port中的接口函数完成就可以了。

三：uart驱动中重要的数据结构及其关联

我们可以自己考虑下，基于上面的架构代码应该要怎么写。首先考虑以下几点：

1:一个uart_driver通常会注册一段设备号。即在用户空间会看到uart_driver对应有多个设备节点。例如：

/dev/ttyS0 /dev/ttyS1

每个设备节点是对应一个具体硬件的，从上面的架构来看，每个设备文件应该对应一个uart_port.

也就是说：uart_device怎么同多个uart_port关系起来？怎么去区分操作的是哪一个设备文件？

2:每个uart_port对应一个circ_buf,所以uart_port必须要和这个缓存区关系起来

回忆tty驱动架构中。tty_driver有一个叫成员指向一个数组，即tty->ttys.每个设备文件对应设数组中的一项。而这个数组所代码的数据结构为tty_struct.相应的tty_struct会将tty_driver和ldisc关联起来。

那在uart驱动中，是否也可用相同的方式来处理呢？

将uart驱动常用的数据结构表示如下：

结合上面提出的疑问。可以很清楚的看懂这些结构的设计。

四：uart_driver的注册操作

Uart_driver注册对应的函数为：uart_register_driver（）代码如下：

    int uart_register_driver（struct uart_driver *drv）    {    struct tty_driver *normal = NULL;    int i, retval;    BUG_ON（drv->state）；        drv->state = kzalloc（sizeof（struct uart_state） * drv->nr, GFP_KERNEL）；    retval = -ENOMEM;    if （！drv->state）    goto out;    normal  = alloc_tty_driver（drv->nr）；    if （！normal）    goto out;    drv->tty_driver = normal;    normal->owner      = drv->owner;    normal->driver_name    = drv->driver_name;    normal->name       = drv->dev_name;    normal->major      = drv->major;    normal->minor_start    = drv->minor;    normal->type       = TTY_DRIVER_TYPE_SERIAL;    normal->subtype        = SERIAL_TYPE_NORMAL;    normal->init_termios   = tty_std_termios;    normal->init_termios.c_cflag = B9600 | CS8 | CREAD | HUPCL | CLOCAL;    normal->init_termios.c_ispeed = normal->init_termios.c_ospeed = 9600;    normal->flags      = TTY_DRIVER_REAL_RAW | TTY_DRIVER_DYNAMIC_DEV;    normal->driver_state    = drv;    tty_set_operations（normal, &uart_ops）；        for （i = 0; i < drv->nr; i++） {    struct uart_state *state = drv->state + i;    state->close_delay     = 500;        state->closing_wait    = 30000;      mutex_init（&state->mutex）；    }    retval = tty_register_driver（normal）；    out:    if （retval < 0） {    put_tty_driver（normal）；    kfree（drv->state）；    }    return retval;    }

从上面代码可以看出。uart_driver中很多数据结构其实就是tty_driver中的。将数据转换为tty_driver之后，注册tty_driver.然后初始化uart_driver->state的存储空间。

这样，就会注册uart_driver->nr个设备节点。主设备号为uart_driver-> major.开始的次设备号为uart_driver-> minor.

值得注意的是。在这里将tty_driver的操作集统一设为了uart_ops.其次，在tty_driver->driver_state保存了这个uart_driver.这样做是为了在用户空间对设备文件的操作时，很容易转到对应的uart_driver.

另外：tty_driver的flags成员值为： TTY_DRIVER_REAL_RAW |TTY_DRIVER_DYNAMIC_DEV.里面包含有TTY_DRIVER_DYNAMIC_DEV标志。结合之前对tty的分析。如果包含有这个标志，是不会在初始化的时候去注册device.也就是说在/dev/下没有动态生成结点（如果是/dev下静态创建了这个结点就另当别论了^_^）。

流程图如下：

五： uart_add_one_port（）操作

在前面提到。在对uart设备文件过程中。会将操作转换到对应的port上，这个port跟uart_driver是怎么关联起来的呢？这就是uart_add_ont_port（）的主要工作了。

顾名思义，这个函数是在uart_driver增加一个port.代码如下：

    int uart_add_one_port（struct uart_driver *drv, struct uart_port *port）    {    struct uart_state *state;    int ret = 0;    struct device *tty_dev;    BUG_ON（in_interrupt（））；    if （port->line >= drv->nr）    return -EINVAL;    state = drv->state + port->line;    mutex_lock（&port_mutex）；    mutex_lock（&state->mutex）；    if （state->port） {    ret = -EINVAL;    goto out;    }    state->port = port;    state->pm_state = -1;    port->cons = drv->cons;    port->info = state->info;        if （！（uart_console（port） && （port->cons->flags & CON_ENABLED））） {    spin_lock_init（&port->lock）；    lockdep_set_class（&port->lock, &port_lock_key）；    }    uart_configure_port（drv, state, port）；        tty_dev = tty_register_device（drv->tty_driver, port->line, port->dev）；    if （likely（！IS_ERR（tty_dev））） {    device_can_wakeup（tty_dev） = 1;    device_set_wakeup_enable（tty_dev, 0）；    } else    printk（KERN_ERR "Cannot register tty device on line %d\n",    port->line）；        port->flags &= ~UPF_DEAD;    out:    mutex_unlock（&state->mutex）；    mutex_unlock（&port_mutex）；    return ret;    } 

首先这个函数不能在中断环境中使用。Uart_port->line就是对uart设备文件序号。它对应的也就是uart_driver->state数组中的uart_port->line项。

它主要初始化对应uart_driver->state项。接着调用uart_configure_port（）进行port的自动配置。然后注册tty_device.如果用户空间运行了udev或者已经配置好了hotplug.就会在/dev下自动生成设备文件了。

操作流程图如下所示：

六：设备节点的open操作

在用户空间执行open操作的时候，就会执行uart_ops->open.Uart_ops的定义如下：

    static const struct tty_operations uart_ops = {    .open         = uart_open,    .close        = uart_close,    .write        = uart_write,    .put_char = uart_put_char,    .flush_chars  = uart_flush_chars,    .write_room   = uart_write_room,    .chars_in_buffer= uart_chars_in_buffer,    .flush_buffer = uart_flush_buffer,    .ioctl        = uart_ioctl,    .throttle = uart_throttle,    .unthrottle   = uart_unthrottle,    .send_xchar   = uart_send_xchar,    .set_termios  = uart_set_termios,    .stop         = uart_stop,    .start        = uart_start,    .hangup       = uart_hangup,    .break_ctl    = uart_break_ctl,    .wait_until_sent= uart_wait_until_sent,    #ifdef CONFIG_PROC_FS    .read_proc    = uart_read_proc,    #endif    .tiocmget = uart_tiocmget,    .tiocmset = uart_tiocmset,    };

对应open的操作接口为uart_open.代码如下：

    static int uart_open（struct tty_struct *tty, struct file *filp）    {    struct uart_driver *drv = （struct uart_driver *）tty->driver->driver_state;    struct uart_state *state;    int retval, line = tty->index;    BUG_ON（！kernel_locked（））；    pr_debug（"uart_open（%d） called\n", line）；        retval = -ENODEV;    if （line >= tty->driver->num）    goto fail;        state = uart_get（drv, line）；    if （IS_ERR（state）） {    retval = PTR_ERR（state）；    goto fail;    }        tty->driver_data = state;    tty->low_latency = （state->port->flags & UPF_LOW_LATENCY） ? 1 : 0;    tty->alt_speed = 0;    state->info->tty = tty;        if （tty_hung_up_p（filp）） {    retval = -EAGAIN;    state->count--;    mutex_unlock（&state->mutex）；    goto fail;    }        if （state->count == 1）    uart_change_pm（state, 0）；        retval = uart_startup（state, 0）；        if （retval == 0）    retval = uart_block_til_ready（filp, state）；    mutex_unlock（&state->mutex）；        if （retval == 0 && !（state->info->flags & UIF_NORMAL_ACTIVE）） {    state->info->flags |= UIF_NORMAL_ACTIVE;    uart_update_termios（state）；    }    fail:    return retval;    }            int ret = 0;    state = drv->state + line;    if （mutex_lock_interruptible（&state->mutex）） {    ret = -ERESTARTSYS;    goto err;    }    state->count++;    if （！state->port || state->port->flags & UPF_DEAD） {    ret = -ENXIO;    goto err_unlock;    }    if （！state->info） {    state->info = kzalloc（sizeof（struct uart_info）， GFP_KERNEL）；    if （state->info） {    init_waitqueue_head（&state->info->open_wait）；    init_waitqueue_head（&state->info->delta_msr_wait）；        state->port->info = state->info;    tasklet_init（&state->info->tlet, uart_tasklet_action,    （unsigned long）state）；    } else {    ret = -ENOMEM;    goto err_unlock;    }    }    return state;    err_unlock:    state->count--;    mutex_unlock（&state->mutex）；    err:    return ERR_PTR（ret）；    } 

从代码中可以看出。这里注要是操作是初始化state->info.注意port->info就是state->info的一个副本。即port直接通过port->info可以找到它要操作的缓存区。

uart_startup（）代码如下：

    static int uart_startup（struct uart_state *state, int init_hw）    {    struct uart_info *info = state->info;    struct uart_port *port = state->port;    unsigned long page;    int retval = 0;    if （info->flags & UIF_INITIALIZED）    return 0;        set_bit（TTY_IO_ERROR, &info->tty->flags）；    if （port->type == PORT_UNKNOWN）    return 0;        if （！info->xmit.buf） {    page = get_zeroed_page（GFP_KERNEL）；    if （！page）    return -ENOMEM;    info->xmit.buf = （unsigned char *） page;    uart_circ_clear（&info->xmit）；    }    retval = port->ops->startup（port）；    if （retval == 0） {    if （init_hw） {        uart_change_speed（state, NULL）；        if （info->tty->termios->c_cflag & CBAUD）    uart_set_mctrl（port, TIOCM_RTS | TIOCM_DTR）；    }    if （info->flags & UIF_CTS_FLOW） {    spin_lock_irq（&port->lock）；    if （！（port->ops->get_mctrl（port） & TIOCM_CTS））    info->tty->hw_stopped = 1;    spin_unlock_irq（&port->lock）；    }    info->flags |= UIF_INITIALIZED;    clear_bit（TTY_IO_ERROR, &info->tty->flags）；    }    if （retval && capable（CAP_SYS_ADMIN））    retval = 0;    return retval;    } 

在这里，注要完成对环形缓冲，即info->xmit的初始化。然后调用port->ops->startup（）将这个port带入到工作状态。其它的是一个可调参数的设置，就不详细讲解了。

七：设备节点的write操作

Write操作对应的操作接口为uart_write（ ）。代码如下：

    static int    uart_write（struct tty_struct *tty, const unsigned char *buf, int count）    {    struct uart_state *state = tty->driver_data;    struct uart_port *port;    struct circ_buf *circ;    unsigned long flags;    int c, ret = 0;        if （！state || !state->info） {    WARN_ON（1）；    return -EL3HLT;    }    port = state->port;    circ = &state->info->xmit;    if （！circ->buf）    return 0;    spin_lock_irqsave（&port->lock, flags）；    while （1） {    c = CIRC_SPACE_TO_END（circ->head, circ->tail, UART_XMIT_SIZE）；    if （count < c）    c = count;    if （c <= 0）    break;    memcpy（circ->buf + circ->head, buf, c）；    circ->head = （circ->head + c） & （UART_XMIT_SIZE - 1）；    buf += c;    count -= c;    ret += c;    }    spin_unlock_irqrestore（&port->lock, flags）；    uart_start（tty）；    return ret;    } 

Uart_start（）代码如下：

    static void uart_start（struct tty_struct *tty）    {    struct uart_state *state = tty->driver_data;    struct uart_port *port = state->port;    unsigned long flags;    spin_lock_irqsave（&port->lock, flags）；    __uart_start（tty）；    spin_unlock_irqrestore（&port->lock, flags）；    }    static void __uart_start（struct tty_struct *tty）    {    struct uart_state *state = tty->driver_data;    struct uart_port *port = state->port;    if （！uart_circ_empty（&state->info->xmit） && state->info->xmit.buf &&    !tty->stopped && !tty->hw_stopped）    port->ops->start_tx（port）；    } 

显然，对于write操作而言，它就是将数据copy到环形缓存区。然后调用port->ops->start_tx（）将数据写到硬件寄存器。

八：Read操作

Uart的read操作同Tty的read操作相同，即都是调用ldsic->read（）读取read_buf中的内容。有对这部份内容不太清楚的，参阅《linux设备模型之tty驱动架构》.

九：小结

本小节是分析serial驱动的基础。在理解了tty驱动架构之后，再来理解uart驱动架构应该不是很难。随着我们在linux设备驱动分析的深入，越来越深刻的体会到，linux的设备驱动架构很多都是相通的。只要深刻理解了一种驱动架构。举一反三。也就很容易分析出其它架构的驱动了。