linux设备模型之uart驱动架构分析

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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.
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line discipline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:

01 int uart_register_driver(struct uart_driver *drv)
02 {
03      struct tty_driver *normal = NULL;
04      int i, retval;
05
06      BUG_ON(drv->state);
07
08      /*
09       * Maybe we should be using a slab cache for this, especially if
10       * we have a large number of ports to handle.
11       */
12      drv->state = kzalloc(sizeof(struct uart_state) * drv->nr, GFP_KERNEL);
13      retval = -ENOMEM;
14      if (!drv->state)
15          goto out;
16
17      normal  = alloc_tty_driver(drv->nr);
18      if (!normal)
19          goto out;
20
21      drv->tty_driver = normal;
22
23      normal->owner      = drv->owner;
24      normal->driver_name    = drv->driver_name;
25      normal->name       = drv->dev_name;
26      normal->major      = drv->major;
27      normal->minor_start    = drv->minor;
28      normal->type       = TTY_DRIVER_TYPE_SERIAL;
29      normal->subtype        = SERIAL_TYPE_NORMAL;
30      normal->init_termios   = tty_std_termios;
31      normal->init_termios.c_cflag = B9600 | CS8 | CREAD | HUPCL | CLOCAL;
32      normal->init_termios.c_ispeed = normal->init_termios.c_ospeed = 9600;
33      normal->flags      = TTY_DRIVER_REAL_RAW | TTY_DRIVER_DYNAMIC_DEV;
34      normal->driver_state    = drv;
35      tty_set_operations(normal, &uart_ops);
36
37      /*
38       * Initialise the UART state(s).
39       */
40      for (i = 0; i nr; i++) {
41          struct uart_state *state = drv->state + i;
42
43          state->close_delay     = 500;    /* .5 seconds */
44          state->closing_wait    = 30000;  /* 30 seconds */
45
46          mutex_init(&state->mutex);
47      }
48
49      retval = tty_register_driver(normal);
50 out:
51      if (retval
52          put_tty_driver(normal);
53          kfree(drv->state);
54      }
55      return retval;
56 }

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:

01 int uart_add_one_port(struct uart_driver *drv, struct uart_port *port)
02 {
03      struct uart_state *state;
04      int ret = 0;
05      struct device *tty_dev;
06
07      BUG_ON(in_interrupt());
08
09      if (port->line >= drv->nr)
10          return -EINVAL;
11
12      state = drv->state + port->line;
13
14      mutex_lock(&port_mutex);
15      mutex_lock(&state->mutex);
16      if (state->port) {
17          ret = -EINVAL;
18          goto out;
19      }
20
21      state->port = port;
22      state->pm_state = -1;
23
24      port->cons = drv->cons;
25      port->info = state->info;
26
27      /*
28       * If this port is a console, then the spinlock is already
29       * initialised.
30       */
31      if (!(uart_console(port) && (port->cons->flags & CON_ENABLED))) {
32          spin_lock_init(&port->lock);
33          lockdep_set_class(&port->lock, &port_lock_key);
34      }
35
36      uart_configure_port(drv, state, port);
37
38      /*
39       * Register the port whether it's detected or not.  This allows
40       * setserial to be used to alter this ports parameters.
41       */
42      tty_dev = tty_register_device(drv->tty_driver, port->line, port->dev);
43      if (likely(!IS_ERR(tty_dev))) {
44          device_can_wakeup(tty_dev) = 1;
45          device_set_wakeup_enable(tty_dev, 0);
46      } else
47          printk(KERN_ERR "Cannot register tty device on line %d\n",
48                 port->line);
49
50      /*
51       * Ensure UPF_DEAD is not set.
52       */
53      port->flags &= ~UPF_DEAD;
54
55 out:
56      mutex_unlock(&state->mutex);
57      mutex_unlock(&port_mutex);