Linux串口（serial、uart）驱动程序设计

 

一、核心数据结构

http://www.cublog.cn/u3/109117/article.html
串口驱动有3个核心数据结构，它们都定义在<#include linux/serial_core.h>
1、uart_driver
uart_driver包含了串口设备名、串口驱动名、主次设备号、串口控制台(可选)等信息，还封装了tty_driver(底层串口驱动无需关心tty_driver)。

struct uart_driver {
    struct module     *owner;           /* 拥有该uart_driver的模块,一般为THIS_MODULE */
    const char        *driver_name;     /* 串口驱动名，串口设备文件名以驱动名为基础 */
    const char        *dev_name;        /* 串口设备名 */
    int                major;           /* 主设备号 */
    int                minor;           /* 次设备号 */
    int                nr;              /* 该uart_driver支持的串口个数(最大) */
    struct console    *cons;            /* 其对应的console.若该uart_driver支持serial console,否则为NULL */

    /*
     * these are private; the low level driver should not
     * touch these; they should be initialised to NULL
     */
    struct uart_state *state;
    struct tty_driver *tty_driver;
};

2、uart_port
uart_port用于描述串口端口的I/O端口或I/O内存地址、FIFO大小、端口类型、串口时钟等信息。实际上，一个uart_port实例对应一个串口设备

struct uart_port {
    spinlock_t             lock;           /* 串口端口锁 */
    unsigned int           iobase;         /* IO端口基地址 */
    unsigned char __iomem *membase;        /* IO内存基地址,经映射(如ioremap)后的IO内存虚拟基地址 */
    unsigned int           irq;            /* 中断号 */
    unsigned int           uartclk;        /* 串口时钟 */
    unsigned int           fifosize;       /* 串口FIFO缓冲大小 */
    unsigned char          x_char;         /* xon/xoff字符 */
    unsigned char          regshift;       /* 寄存器位移 */
    unsigned char          iotype;         /* IO访问方式 */
    unsigned char          unused1;

#define UPIO_PORT        (0)               /* IO端口 */
#define UPIO_HUB6        (1)
#define UPIO_MEM         (2)               /* IO内存 */
#define UPIO_MEM32       (3)
#define UPIO_AU          (4)               /* Au1x00 type IO */
#define UPIO_TSI         (5)               /* Tsi108/109 type IO */
#define UPIO_DWAPB       (6)               /* DesignWare APB UART */
#define UPIO_RM9000      (7)               /* RM9000 type IO */

    unsigned int        read_status_mask; /* 关心的Rx error status */
    unsigned int        ignore_status_mask;/* 忽略的Rx error status */
    struct uart_info      *info;           /* pointer to parent info */
    struct uart_icount     icount;         /* 计数器 */

    struct console        *cons;           /* console结构体 */
#ifdef CONFIG_SERIAL_CORE_CONSOLE
    unsigned long         sysrq;           /* sysrq timeout */
#endif

    upf_t                 flags;

#define UPF_FOURPORT         ((__force upf_t) (1 << 1))
#define UPF_SAK              ((__force upf_t) (1 << 2))
#define UPF_SPD_MASK         ((__force upf_t) (0x1030))
#define UPF_SPD_HI           ((__force upf_t) (0x0010))
#define UPF_SPD_VHI          ((__force upf_t) (0x0020))
#define UPF_SPD_CUST         ((__force upf_t) (0x0030))
#define UPF_SPD_SHI          ((__force upf_t) (0x1000))
#define UPF_SPD_WARP         ((__force upf_t) (0x1010))
#define UPF_SKIP_TEST        ((__force upf_t) (1 << 6))
#define UPF_AUTO_IRQ         ((__force upf_t) (1 << 7))
#define UPF_HARDPPS_CD       ((__force upf_t) (1 << 11))
#define UPF_LOW_LATENCY      ((__force upf_t) (1 << 13))
#define UPF_BUGGY_UART       ((__force upf_t) (1 << 14))
#define UPF_MAGIC_MULTIPLIER ((__force upf_t) (1 << 16))
#define UPF_CONS_FLOW        ((__force upf_t) (1 << 23))
#define UPF_SHARE_IRQ        ((__force upf_t) (1 << 24))
#define UPF_BOOT_AUTOCONF    ((__force upf_t) (1 << 28))
#define UPF_FIXED_PORT       ((__force upf_t) (1 << 29))
#define UPF_DEAD             ((__force upf_t) (1 << 30))
#define UPF_IOREMAP          ((__force upf_t) (1 << 31))

#define UPF_CHANGE_MASK      ((__force upf_t) (0x17fff))
#define UPF_USR_MASK         ((__force upf_t) (UPF_SPD_MASK|UPF_LOW_LATENCY))

    unsigned int             mctrl;        /* 当前的moden设置 */
    unsigned int             timeout;      /* character-based timeout */       
    unsigned int             type;         /* 端口类型 */
    const struct uart_ops   *ops;          /* 串口端口操作函数集 */
    unsigned int             custom_divisor;
    unsigned int             line;         /* 端口索引 */
    resource_size_t          mapbase;      /* IO内存物理基地址，可用于ioremap */
    struct device           *dev;          /* 父设备 */
    unsigned char            hub6;         /* this should be in the 8250 driver */
    unsigned char            suspended;
    unsigned char            unused[2];
    void                    *private_data; /* 端口私有数据,一般为platform数据指针 */
};

uart_iconut为串口信息计数器，包含了发送字符计数、接收字符计数等。在串口的发送中断处理函数和接收中断处理函数中，我们需要管理这些计数。

struct uart_icount {
    __u32    cts;
    __u32    dsr;
    __u32    rng;
    __u32    dcd;
    __u32    rx;      /* 发送字符计数 */
    __u32    tx;      /* 接受字符计数 */
    __u32    frame;   /* 帧错误计数 */
    __u32    overrun; /* Rx FIFO溢出计数 */
    __u32    parity; /* 帧校验错误计数 */
    __u32    brk;     /* break计数 */
    __u32    buf_overrun;
};

uart_info有两个成员在底层串口驱动会用到：xmit和tty。用户空间程序通过串口发送数据时，上层驱动将用户数据保存在xmit；而串口发送中断处理函数就是通过xmit获取到用户数据并将它们发送出去。串口接收中断处理函数需要通过tty将接收到的数据传递给行规则层。

/* uart_info实例仅在串口端口打开时有效，它可能在串口关闭时被串口核心层释放。因此，在使用uart_port的uart_info成员时必须保证串口已打开。底层驱动和核心层驱动都可以修改uart_info实例。
* This is the state information which is only valid when the port
* is open; it may be freed by the core driver once the device has
* been closed. Either the low level driver or the core can modify
* stuff here.
*/
struct uart_info {
    struct tty_struct     *tty;
    struct circ_buf        xmit;
    uif_t                  flags;

/*
* Definitions for info->flags. These are _private_ to serial_core, and
* are specific to this structure. They may be queried by low level drivers.
*/
#define UIF_CHECK_CD        ((__force uif_t) (1 << 25))
#define UIF_CTS_FLOW        ((__force uif_t) (1 << 26))
#define UIF_NORMAL_ACTIVE    ((__force uif_t) (1 << 29))
#define UIF_INITIALIZED        ((__force uif_t) (1 << 31))
#define UIF_SUSPENDED        ((__force uif_t) (1 << 30))

    int                     blocked_open;

    struct tasklet_struct   tlet;

    wait_queue_head_t       open_wait;
    wait_queue_head_t       delta_msr_wait;
};

3、uart_ops

uart_ops涵盖了串口驱动可对串口设备进行的所有操作。

/*
* This structure describes all the operations that can be
* done on the physical hardware.
*/
struct uart_ops {
    unsigned int (*tx_empty)(struct uart_port *); /* 串口的Tx FIFO缓存是否为空 */
    void         (*set_mctrl)(struct uart_port *, unsigned int mctrl); /* 设置串口modem控制 */
    unsigned int (*get_mctrl)(struct uart_port *); /* 获取串口modem控制 */
    void         (*stop_tx)(struct uart_port *); /* 禁止串口发送数据 */
    void         (*start_tx)(struct uart_port *); /* 使能串口发送数据 */
    void         (*send_xchar)(struct uart_port *, char ch);/* 发送xChar */
    void         (*stop_rx)(struct uart_port *); /* 禁止串口接收数据 */
    void         (*enable_ms)(struct uart_port *); /* 使能modem的状态信号 */
    void         (*break_ctl)(struct uart_port *, int ctl); /* 设置break信号 */
    int          (*startup)(struct uart_port *); /* 启动串口,应用程序打开串口设备文件时,该函数会被调用 */
    void         (*shutdown)(struct uart_port *); /* 关闭串口,应用程序关闭串口设备文件时,该函数会被调用 */
    void         (*set_termios)(struct uart_port *, struct ktermios *new, struct ktermios *old); /* 设置串口参数 */
    void         (*pm)(struct uart_port *, unsigned int state,
             unsigned int oldstate); /* 串口电源管理 */
    int          (*set_wake)(struct uart_port *, unsigned int state); /* */
    const char *(*type)(struct uart_port *); /* 返回一描述串口类型的字符串 */
    void         (*release_port)(struct uart_port *); /* 释放串口已申请的IO端口/IO内存资源,必要时还需iounmap */
    int          (*request_port)(struct uart_port *); /* 申请必要的IO端口/IO内存资源,必要时还可以重新映射串口端口 */
    void         (*config_port)(struct uart_port *, int); /* 执行串口所需的自动配置 */
    int          (*verify_port)(struct uart_port *, struct serial_struct *); /* 核实新串口的信息 */
    int          (*ioctl)(struct uart_port *, unsigned int, unsigned long); /* IO控制 */
};

二、串口驱动API
1、uart_register_driver
/* 功能：    uart_register_driver用于将串口驱动uart_driver注册到内核(串口核心层)中，通常在模块初始化函数调用该函数。
* 参数 drv：要注册的uart_driver

* 返回值： 成功，返回0；否则返回错误码
*/
int uart_register_driver(struct uart_driver *drv)

2、uart_unregister_driver
/* 功能：    uart_unregister_driver用于注销我们已注册的uart_driver，通常在模块卸载函数调用该函数
* 参数 drv：要注销的uart_driver

* 返回值： 成功，返回0；否则返回错误码
*/
void uart_unregister_driver(struct uart_driver *drv)

3、uart_add_one_port
/* 功能：    uart_add_one_port用于为串口驱动添加一个串口端口，通常在探测到设备后(驱动的设备probe方法)调用该函数
* 参数 drv：串口驱动
*      port:要添加的串口端口

* 返回值： 成功，返回0；否则返回错误码
*/
int uart_add_one_port(struct uart_driver *drv, struct uart_port *port)

4、uart_remove_one_port
/* 功能：     uart_remove_one_port用于删除一个已添加到串口驱动中的串口端口，通常在驱动卸载时调用该函数
* 参数 drv： 串口驱动
*      port: 要删除的串口端口
* 返回值：   成功，返回0；否则返回错误码
*/
int uart_remove_one_port(struct uart_driver *drv, struct uart_port *port)

5、uart_write_wakeup
/* 功能：     uart_write_wakeup唤醒上层因向串口端口写数据而阻塞的进程，通常在串口发送中断处理函数中调用该函数
* 参数 port：需要唤醒写阻塞进程的串口端口
*/
void uart_write_wakeup(struct uart_port *port)

6、uart_suspend_port
/* 功能：     uart_suspend_port用于挂起特定的串口端口
* 参数 drv： 要挂起的串口端口所属的串口驱动
*      port：要挂起的串口端口
* 返回值：   成功返回0；否则返回错误码
*/
int uart_suspend_port(struct uart_driver *drv, struct uart_port *port)

7、uart_resume_port
/* 功能：     uart_resume_port用于恢复某一已挂起的串口
* 参数 drv： 要恢复的串口端口所属的串口驱动
*      port：要恢复的串口端口
* 返回值：   成功返回0；否则返回错误码
*/
int uart_resume_port(struct uart_driver *drv, struct uart_port *port)

8、uart_get_baud_rate
/* 功能：        uart_get_baud_rate通过解码termios结构体来获取指定串口的波特率
* 参数 port： 要获取波特率的串口端口
*     termios：当前期望的termios配置(包含串口波特率)
*     old：    以前的termios配置，可以为NULL
*     min：    可接受的最小波特率
*     max：    可接受的最大波特率
* 返回值：     串口的波特率
*/
unsigned int
uart_get_baud_rate(struct uart_port *port, struct ktermios *termios,
     struct ktermios *old, unsigned int min, unsigned int max)

9、uart_get_divisor
/* 功能：     uart_get_divisor用于计算某一波特率的串口时钟分频数（串口波特率除数）
* 参数 port：要计算时钟分频数的串口端口
*      baud：期望的波特率
*返回值：    串口时钟分频数
*/
unsigned int uart_get_divisor(struct uart_port *port, unsigned int baud)

10、uart_update_timeout
/* 功能：      uart_update_timeout用于更新（设置）串口FIFO超时时间
* 参数 port： 要更新超时时间的串口端口
*     cflag：termios结构体的cflag值
*     baud： 串口的波特率
*/
void uart_update_timeout(struct uart_port *port, unsigned int cflag, unsigned int baud)

11、uart_match_port
/* 功能：uart_match_port用于判断两串口端口是否为同一端口
* 参数 port1、port2：要判断的串口端口
* 返回值：不同返回0；否则返回非0
*/
int uart_match_port(struct uart_port *port1, struct uart_port *port2)

12、uart_console_write

/* 功能：        uart_console_write用于向串口端口写一控制台信息

* 参数 port:    要写信息的串口端口
*     s:       要写的信息
*     count:   信息的大小
*     putchar: 用于向串口端口写字符的函数，该函数函数有两个参数：串口端口和要写的字符
*/
void uart_console_write(struct uart_port *port, const char *s,
            unsigned int count,
            void (*putchar)(struct uart_port *, int))

三、串口驱动例子
该串口驱动例子是我针对s3c2410处理器的串口2(uart2)独立开发的。因为我通过博创2410s开发板的GRPS扩展板来测试该驱动（已通过测试），所以我叫该串口为gprs_uart。

该驱动将串口看作平台(platform)设备。platform可以看作一伪总线，用于将集成于片上系统的轻量级设备与Linux设备驱动模型联系到一起，它包含以下两部分（有关platform的声明都在#include ,具体实现在drivers/base/platform.c）：
1、platform设备。我们需要为每个设备定义一个platform_device实例
struct platform_device {
    const char      *name;         /* 设备名 */
    int              id;           /* 设备的id号 */
    struct device    dev;          /* 其对应的device */
    u32              num_resources;/* 该设备用有的资源数 */
    struct resource *resource;     /* 资源数组 */
};

为我们的设备创建platform_device实例有两种方法：填充一个platform_device结构体后用platform_device_register(一次注册一个)或platform_add_devices（一次可以注册多个platform设备）将platform_device注册到内核；更简单的是使用platform_device_register_simple来建立并注册我们的platform_device。
2、platform驱动。platform设备由platform驱动进行管理。当设备加入到系统中时，platform_driver的probe方法会被调用来见对应的设备添加或者注册到内核；当设备从系统中移除时，platform_driver的remove方法会被调用来做一些清理工作，如移除该设备的一些实例、注销一些已注册到系统中去的东西。
struct platform_driver {
    int (*probe)(struct platform_device *);
    int (*remove)(struct platform_device *);
    void (*shutdown)(struct platform_device *);
    int (*suspend)(struct platform_device *, pm_message_t state);
    int (*suspend_late)(struct platform_device *, pm_message_t state);
    int (*resume_early)(struct platform_device *);
    int (*resume)(struct platform_device *);
    struct device_driver driver;
};

更详细platform资料可参考网上相关文章。

例子驱动中申请和释放IO内存区的整个过程如下：

insmod gprs_uart.ko→gprs_init_module()→uart_register_driver()→gprs_uart_probe()→ uart_add_one_port()→gprs_uart_config_port()→gprs_uart_request_port()→request_mem_region()

rmmod gprs_uart.ko→gprs_exit_module()→uart_unregister_driver()→gprs_uart_remove()→uart_remove_one_port()→gprs_uart_release_port()→release_mem_region()

例子驱动中申请和释放IRQ资源的整个过程如下：

open /dev/gprs_uart→gprs_uart_startup()→request_irq()

close /dev/gprs_uart→gprs_uart_shutdown()→free_irq()

想了解更详细的调用过程可以在驱动模块各函数头插入printk(KERN_DEBUG "%s\n", __FUNCTION__);并在函数尾插入printk(KERN_DEBUG "%s done\n", __FUNCTION__);

下面是串口驱动例子和其GPRS测试程序源码下载地址：

http://www.pudn.com/downloads258/sourcecode/unix_linux/detail1192104.html

#include
#include
#include        /* printk() */
#include          /* kmalloc() */
#include            /* everything... */
#include         /* error codes */
#include         /* size_t */
#include         /* O_ACCMODE */
#include          /* cli(), *_flags */
#include         /* copy_*_user */
#include
#include

#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

#define DEV_NAME            "gprs_uart"     /* 设备名 */
/* 这里将串口的主设备号设为0,则串口设备编号由内核动态分配;你也可指定串口的设备编号 */
#define GPRS_UART_MAJOR        0            /* 主设备号 */
#define GPRS_UART_MINOR        0            /* 次设备号 */
#define GPRS_UART_FIFO_SIZE    16           /* 串口FIFO的大小 */
#define RXSTAT_DUMMY_READ    (0x10000000)
#define MAP_SIZE             (0x100)        /* 要映射的串口IO内存区大小 */

/* 串口发送中断号 */
#define TX_IRQ(port) ((port)->irq + 1)
/* 串口接收中断号 */
#define RX_IRQ(port) ((port)->irq)

/* 允许串口接收字符的标志 */
#define tx_enabled(port) ((port)->unused[0])
/* 允许串口发送字符的标志 */
#define rx_enabled(port) ((port)->unused[1])

/* 获取寄存器地址 */
#define portaddr(port, reg) ((port)->membase + (reg))

/* 读8位宽的寄存器 */
#define rd_regb(port, reg) (ioread8(portaddr(port, reg)))
/* 读32位宽的寄存器 */
#define rd_regl(port, reg) (ioread32(portaddr(port, reg)))
/* 写8位宽的寄存器 */
#define wr_regb(port, reg, val) \
    do { iowrite8(val, portaddr(port, reg)); } while(0)
/* 写32位宽的寄存器 */       
#define wr_regl(port, reg, val) \
    do { iowrite32(val, portaddr(port, reg)); } while(0)

/* 禁止串口发送数据 */
static void gprs_uart_stop_tx(struct uart_port *port)
{
    if (tx_enabled(port))            /* 若串口已启动发送 */
    {       
        disable_irq(TX_IRQ(port));   /* 禁止发送中断 */
        tx_enabled(port) = 0;        /* 设置串口为未启动发送 */
    }
}

/* 使能串口发送数据 */
static void gprs_uart_start_tx(struct uart_port *port)
{
    if (!tx_enabled(port))           /* 若串口未启动发送 */
    {
        enable_irq(TX_IRQ(port));    /* 使能发送中断 */
        tx_enabled(port) = 1;        /* 设置串口为已启动发送 */
    }   
}

/* 禁止串口接收数据 */
static void gprs_uart_stop_rx(struct uart_port *port)
{
    if (rx_enabled(port))            /* 若串口已启动接收 */
    {
        disable_irq(RX_IRQ(port));   /* 禁止接收中断 */
        rx_enabled(port) = 0;        /* 设置串口为未启动接收 */
    }
}

/* 使能modem的状态信号 */
static void gprs_uart_enable_ms(struct uart_port *port)
{
}

/* 串口的Tx FIFO缓存是否为空 */
static unsigned int gprs_uart_tx_empty(struct uart_port *port)
{
    int ret = 1;
    unsigned long ufstat = rd_regl(port, S3C2410_UFSTAT);
    unsigned long ufcon = rd_regl(port, S3C2410_UFCON);

    if (ufcon & S3C2410_UFCON_FIFOMODE)    /* 若使能了FIFO */
    {
        if ((ufstat & S3C2410_UFSTAT_TXMASK) != 0 ||    /* 0                 (ufstat & S3C2410_UFSTAT_TXFULL))       /* FIFO满 */
            ret = 0;
    }
    else    /* 若未使能了FIFO,则判断发送缓存和发送移位寄存器是否均为空 */
    {
        ret = rd_regl(port, S3C2410_UTRSTAT) & S3C2410_UTRSTAT_TXE;
    }
           
    return ret;
}

/* 获取串口modem控制,因为uart2无modem控制,所以CTS、DSR直接返回有效 */
static unsigned int gprs_uart_get_mctrl(struct uart_port *port)
{
    return (TIOCM_CTS | TIOCM_DSR | TIOCM_CAR);
}