Linux tty驱动学习 - 在用户空间设置串口参数操作流程

用户在使用串口的时候，需要在用户空间设置串口属性，一种是直接通过驱动的ioctl去操作，但常用的方法是使用glibc的库函数来操作，比如常用的tcsetattr()和tcgetattr()函数。以tcsetattr()为例，该函数定义在glibc的tcsetattr.c中。tcsetattr()的第一个参数为打开的串口设备描述符，第三个参数为要设置的串口新属性，第二个参数为设置操作的模式，TCSANOW表示不等数据传输完成立即改变属性，TCSADRAIN表示等待所有数据传输完成后才改变属性，TCSAFLUSH表示等所有数据传输完成并清空输入输出缓冲区才改变属性。根据不同的模式选择不同的命令，最后调用INLINE_SYSCALL()执行ioctl的系统调用。

int tcsetattr (fd, optional_actions, termios_p)
     int fd;
     int optional_actions;
     const struct termios *termios_p;
{
  struct __kernel_termios k_termios;
  unsigned long int cmd;

  switch (optional_actions)
    {
    case TCSANOW:
      cmd = TCSETS;
      break;
    case TCSADRAIN:
      cmd = TCSETSW;
      break;
    case TCSAFLUSH:
      cmd = TCSETSF;
      break;
    default:
      __set_errno (EINVAL);
      return -1;
    }

  k_termios.c_iflag = termios_p->c_iflag & ~IBAUD0;
  k_termios.c_oflag = termios_p->c_oflag;
  k_termios.c_cflag = termios_p->c_cflag;
  k_termios.c_lflag = termios_p->c_lflag;
  k_termios.c_line = termios_p->c_line;
#if defined _HAVE_C_ISPEED && defined _HAVE_STRUCT_TERMIOS_C_ISPEED
  k_termios.c_ispeed = termios_p->c_ispeed;
#endif
#if defined _HAVE_C_OSPEED && defined _HAVE_STRUCT_TERMIOS_C_OSPEED
  k_termios.c_ospeed = termios_p->c_ospeed;
#endif
  memcpy (&k_termios.c_cc[0], &termios_p->c_cc[0],
	  __KERNEL_NCCS * sizeof (cc_t));

  return INLINE_SYSCALL (ioctl, 3, fd, cmd, &k_termios);
}

ioctl系统调用执行到tty核心层，首先调用的是tty_ioctl()函数。在该函数中并没有直接处理TCSETS/TCSETSW/TCSETSF三个命令，所以会再调用tty->ops->ioctl，即调用tty驱动的iotcl函数来处理。tty驱动的ioctl函数为uart_ioctl()，在该函数中也没有对上述三个命令进行处理，所以接着调用uart驱动uport->ops->ioctl()函数来处理。而8250/16550的驱动并没有定义ioctl操作函数，所以回到tty_ioctl()中继续调用线路规程的ld->ops->ioctl()函数来处理，该函数在n_tty.c中被定义为n_tty_ioctl()。该函数本身只处理TIOCOUTQ/TIOCINQ两个命令，但在default中会调用n_tty_ioctl_helper()去处理其它的命令。

static int n_tty_ioctl(struct tty_struct *tty, struct file *file,
		       unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
	int retval;

	switch (cmd) {
	case TIOCOUTQ:
		return put_user(tty_chars_in_buffer(tty), (int __user *) arg);
	case TIOCINQ:
		/* FIXME: Locking */
		retval = tty->read_cnt;
		if (L_ICANON(tty))
			retval = inq_canon(tty);
		return put_user(retval, (unsigned int __user *) arg);
	default:
		return n_tty_ioctl_helper(tty, file, cmd, arg);
	}
}

n_tty_ioctl_helper()处理的命令同样不包含tcsetattr()函数调用的三个命令，所以接着往下看default中的tty_mode_ioctl()函数。在该函数中终于看到了对命令TCSETSF/TCSETSW/TCSETS的处理，它们都调用了set_termios()函数。首先把要设置的参数从用户空间拷贝过来，然后再清空驱动的缓存，最后调用change_termios()来完成属性的设置。

static int set_termios(struct tty_struct *tty, void __user *arg, int opt)
{
	struct ktermios tmp_termios;
	struct tty_ldisc *ld;
	int retval = tty_check_change(tty);

	if (retval)
		return retval;

	mutex_lock(&tty->termios_mutex);
	memcpy(&tmp_termios, tty->termios, sizeof(struct ktermios));
	mutex_unlock(&tty->termios_mutex);

	if (opt & TERMIOS_TERMIO) {
		if (user_termio_to_kernel_termios(&tmp_termios,
						(struct termio __user *)arg))
			return -EFAULT;
#ifdef TCGETS2
	} else if (opt & TERMIOS_OLD) {
		if (user_termios_to_kernel_termios_1(&tmp_termios,
						(struct termios __user *)arg))
			return -EFAULT;
	} else {
		if (user_termios_to_kernel_termios(&tmp_termios,
						(struct termios2 __user *)arg))
			return -EFAULT;
	}
#else
	} else if (user_termios_to_kernel_termios(&tmp_termios,
					(struct termios __user *)arg))
		return -EFAULT;
#endif

	/* If old style Bfoo values are used then load c_ispeed/c_ospeed
	 * with the real speed so its unconditionally usable */
	tmp_termios.c_ispeed = tty_termios_input_baud_rate(&tmp_termios);
	tmp_termios.c_ospeed = tty_termios_baud_rate(&tmp_termios);

	ld = tty_ldisc_ref(tty);

	if (ld != NULL) {
		if ((opt & TERMIOS_FLUSH) && ld->ops->flush_buffer)
			ld->ops->flush_buffer(tty);
		tty_ldisc_deref(ld);
	}

	if (opt & TERMIOS_WAIT) {
		tty_wait_until_sent(tty, 0);
		if (signal_pending(current))
			return -EINTR;
	}

	change_termios(tty, &tmp_termios);

	/* FIXME: Arguably if tmp_termios == tty->termios AND the
	   actual requested termios was not tmp_termios then we may
	   want to return an error as no user requested change has
	   succeeded */
	return 0;
}

在change_termios()中先把旧的参数设置保存在old_termios中，然后把新的设置保存到tty_struct中，最后调用tty驱动的set_termios()函数。在serial_core.c中该函数被定义为uart_set_termios()，该函数首先判断新设置是否有参数变动，如果没有做任何改变则直接返回。然后分别调用uart_change_speed()和uart_set_mctrl()来设置参数。uart_change_speed()是调用了uart驱动的set_termios()来完成设置操作，而uart_set_mctrl()最后也是调用uart驱动的set_mctrl()来设置modem的状态。对modem的设置，tty驱动其实有单独提供操作函数，uart_tiocmget()和uart_tiocmset()分别用来获取和设置modem的状态，而这两个函数也是调用uart驱动的get_mctrl()和set_mctrl()来完成的。而在uart驱动中，这几个函数通过直接设置uart端口的寄存器来改变端口的状态。

static void change_termios(struct tty_struct *tty, struct ktermios *new_termios)
{
	struct ktermios old_termios;
	struct tty_ldisc *ld;
	unsigned long flags;

	/*
	 *	Perform the actual termios internal changes under lock.
	 */


	/* FIXME: we need to decide on some locking/ordering semantics
	   for the set_termios notification eventually */
	mutex_lock(&tty->termios_mutex);
	old_termios = *tty->termios;
	*tty->termios = *new_termios;
	unset_locked_termios(tty->termios, &old_termios, tty->termios_locked);

	/* See if packet mode change of state. */
	if (tty->link && tty->link->packet) {
		int old_flow = ((old_termios.c_iflag & IXON) &&
				(old_termios.c_cc[VSTOP] == '\023') &&
				(old_termios.c_cc[VSTART] == '\021'));
		int new_flow = (I_IXON(tty) &&
				STOP_CHAR(tty) == '\023' &&
				START_CHAR(tty) == '\021');
		if (old_flow != new_flow) {
			spin_lock_irqsave(&tty->ctrl_lock, flags);
			tty->ctrl_status &= ~(TIOCPKT_DOSTOP | TIOCPKT_NOSTOP);
			if (new_flow)
				tty->ctrl_status |= TIOCPKT_DOSTOP;
			else
				tty->ctrl_status |= TIOCPKT_NOSTOP;
			spin_unlock_irqrestore(&tty->ctrl_lock, flags);
			wake_up_interruptible(&tty->link->read_wait);
		}
	}

	if (tty->ops->set_termios)
		(*tty->ops->set_termios)(tty, &old_termios);
	else
		tty_termios_copy_hw(tty->termios, &old_termios);

	ld = tty_ldisc_ref(tty);
	if (ld != NULL) {
		if (ld->ops->set_termios)
			(ld->ops->set_termios)(tty, &old_termios);
		tty_ldisc_deref(ld);
	}
	mutex_unlock(&tty->termios_mutex);
}

static const struct tty_operations uart_ops = {
	……
	.ioctl		= uart_ioctl,
	……
	.set_termios	= uart_set_termios,
	……
	.tiocmget	= uart_tiocmget,
	.tiocmset	= uart_tiocmset,
	……
};

static void uart_set_termios(struct tty_struct *tty, struct ktermios *old_termios)
{
	struct uart_state *state = tty->driver_data;
	unsigned long flags;
	unsigned int cflag = tty->termios->c_cflag;

#define RELEVANT_IFLAG(iflag)	((iflag) & (IGNBRK|BRKINT|IGNPAR|PARMRK|INPCK))
	if ((cflag ^ old_termios->c_cflag) == 0 &&
	    tty->termios->c_ospeed == old_termios->c_ospeed &&
	    tty->termios->c_ispeed == old_termios->c_ispeed &&
	    RELEVANT_IFLAG(tty->termios->c_iflag ^ old_termios->c_iflag) == 0) {
		return;
	}

	uart_change_speed(state, old_termios);

	/* Handle transition to B0 status */
	if ((old_termios->c_cflag & CBAUD) && !(cflag & CBAUD))
		uart_clear_mctrl(state->uart_port, TIOCM_RTS | TIOCM_DTR);
	/* Handle transition away from B0 status */
	else if (!(old_termios->c_cflag & CBAUD) && (cflag & CBAUD)) {
		unsigned int mask = TIOCM_DTR;
		if (!(cflag & CRTSCTS) ||
		    !test_bit(TTY_THROTTLED, &tty->flags))
			mask |= TIOCM_RTS;
		uart_set_mctrl(state->uart_port, mask);
	}

	/* Handle turning off CRTSCTS */
	if ((old_termios->c_cflag & CRTSCTS) && !(cflag & CRTSCTS)) {
		spin_lock_irqsave(&state->uart_port->lock, flags);
		tty->hw_stopped = 0;
		__uart_start(tty);
		spin_unlock_irqrestore(&state->uart_port->lock, flags);
	}
	/* Handle turning on CRTSCTS */
	else if (!(old_termios->c_cflag & CRTSCTS) && (cflag & CRTSCTS)) {
		spin_lock_irqsave(&state->uart_port->lock, flags);
		if (!(state->uart_port->ops->get_mctrl(state->uart_port) & TIOCM_CTS)) {
			tty->hw_stopped = 1;
			state->uart_port->ops->stop_tx(state->uart_port);
		}
		spin_unlock_irqrestore(&state->uart_port->lock, flags);
	}

}

static struct uart_ops serial8250_pops = {
	……
	.set_mctrl	= serial8250_set_mctrl,
	.get_mctrl	= serial8250_get_mctrl,
	……
	.set_termios	= serial8250_set_termios,
	……
};

从整个调用流程可知，在tty驱动框架中，最后的设置函数是set_termios()和tiocmset()/tiocmget()，而这三个函数的具体实现跟终端类型相关，比如上面分析8250/16550驱动是属于串口一类，则调用uart驱动的设置方法。正如LDDR3在讲TTY线路设置中提到的那样，用户的空间的函数调用转换成对ioctl的调用，而多个ioctl的调用再转换成单个set_termios函数的调用。同样，用来获取和设置不同的控制线路设置的iotcl，都转换成对tiocmgeth和tiocmset的调用。