linux设备模型之uart驱动架构分析
2013-09-23 17:57
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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:
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:
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:
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 |
24 | normal->driver_name = drv->driver_name; |
25 | normal->name |
26 | normal->major |
27 | normal->minor_start = drv->minor; |
28 | normal->type |
29 | normal->subtype |
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 |
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 | } |
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 | } |
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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