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linux设备模型之uart驱动架构分析

2013-09-23 17:57 465 查看
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);
58
59
return
ret;
60
}
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:

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