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Linux驱动开发笔记（十一）tty子系统及其驱动

news 来源：原创 2024/9/29 19:18:02

文章目录

前言
一、串口驱动框架
- 1.1 核心数据结构
- 1.2 数据处理流程
二、驱动编写
- 1. 设备树的修改
- 2. 相关API函数
- 3. 驱动框架
- 4. 具体功能的实现
- - 4.1 出入口函数的编写
  - 4.2 读写函数

前言

之前已经讲过应用层的应用，接下来我们继续进行驱动的学习。其实实际上我们很少主动进行串口的驱动编写，通常情况下只需要进行应用层的应用就可以了，网络上相关的驱动内容介绍也较少，这里仅作了解并简单了解一下架构即可。

一、串口驱动框架

串口驱动没有什么主机端和设备端之分，就只有一个串口驱动，而且这个驱动也已经由厂商已经编写好了，我们真正要做的就是在设备树中添加所要使用的串口节点信息。当系统启动以后串口驱动和设备匹配成功，相应的串口就会被驱动起来，生成/dev/ttymxcX(X=0….n)文件。
这部分内容还是比较多的，笔者发现这个文章讲述的还是很详细的，感兴趣可以自行查阅，这里不再赘述：框架详细介绍

1.1 核心数据结构

对于串口驱动来说，实际上重要的结构体只有uart_drive和uart_port，这里可能根据不同的厂商所采用的名称不大一样，但内容差不多，比如在rk3568中，官方提供的uart驱动程序位8250通用串口程序，其为uart_port结构体提供了扩展后的uart_8250_port，包含8250 UART特有的属性和操作。
这部分内容保存于内核中的下列文件中，感兴趣可以自行查阅：

serial_core.c：包含UART核心层的实现。
8250.c：包含8250 UART特定操作的实现。
8250_port.c：包含8250 UART端口的具体实现。

uart_driver结构体用于描述一个UART驱动程序，它通常包含一些基础的信息和操作函数。

struct uart_driver {struct module *owner;               // 设备驱动模块的所有者const char *driver_name;            // 驱动程序的名称const char *dev_name;               // 设备名称int major;                          // 设备主设备号int minor;                          // 设备次设备号int nr;                             // 该驱动程序支持的设备数量struct console *cons;               // 控制台相关信息struct uart_ops *ops;               // UART操作函数集合struct uart_state *state;struct tty_driver *tty_driver;
};

uart_8250_port结构体用于描述8250 UART端口的具体信息和操作方法。

struct uart_8250_port {struct uart_port port;              // 通用UART端口结构体struct timer_list timer;            // 定时器用于处理超时unsigned int capabilities;          // 硬件能力unsigned int mcr;                   // 调制解调器控制寄存器unsigned int lsr;                   // 线路状态寄存器unsigned int msr;                   // 调制解调器状态寄存器unsigned int icr;                   // 中断控制寄存器unsigned int lcr;                   // 线路控制寄存器unsigned int fcr;                   // FIFO控制寄存器unsigned int ier;                   // 中断使能寄存器unsigned char mcr_mask;             // 调制解调器控制寄存器掩码unsigned char mcr_force;            // 调制解调器控制寄存器强制值unsigned char lsr_break_flag;       // 断开标志unsigned char bugs;                 // 硬件错误标志unsigned int tx_loadsz;             // 发送FIFO加载大小unsigned int acr;                   // 额外控制寄存器unsigned int ier_mask;              // 中断使能寄存器掩码unsigned int ier_force;             // 中断使能寄存器强制值unsigned int lsr_mask;              // 线路状态寄存器掩码unsigned int lsr_break_flag_mask;   // 断开标志掩码
};//通用结构体，但比较鸡肋
struct uart_port {spinlock_t lock; /* port lock */unsigned long iobase; /* in/out[bwl] */unsigned char __iomem *membase; /* read/write[bwl] */
......const struct uart_ops *ops;unsigned int custom_divisor;unsigned int line; /* port index */unsigned int minor;resource_size_t mapbase; /* for ioremap */resource_size_t mapsize;struct device *dev; /* parent device */

这里补充一下在uart_driver提到的实现控制台打印功能必须要注册的结构体console和将uart_port与对应的circ_buf联系起来的uart_state结构体。

struct console {char name[16];void(*write)(struct console *，const char *, unsigined);int (*read)(struct console *, char *, unsigned);struct tty_driver *(struct console *,int*);void (*unblank)(void);int  (*setup)(struct console *, char *);int  (*early_setup)(void);short  flags;short  index; /*用来指定该console使用哪一个uart port (对应的uart_port中的line),如果为-1,kernel会自动选择第一个uart port*/int   cflag;void  *data;struct   console *next;
};/*uart_state有两个成员在底层串口驱动会用到，即xmit和port。
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port将接收到的数据传递给线路规程层。
*/
struct uart_state {struct  tty_port  port;enum uart_pm_state   pm_state;struct circ_buf     xmit;struct uart_port     *uart_port; /*对应于一个串口设备*/
}；

uart_ops结构体几乎涵盖了驱动可对串口的所有操作：

 struct uart_ops {unsigned int    (*tx_empty)(struct uart_port *);void            (*set_mctrl)(struct uart_port *, unsigned int mctrl);unsigned int    (*get_mctrl)(struct uart_port *);void            (*stop_tx)(struct uart_port *);void            (*start_tx)(struct uart_port *);void            (*throttle)(struct uart_port *);void            (*unthrottle)(struct uart_port *);void            (*send_xchar)(struct uart_port *, char ch);void            (*stop_rx)(struct uart_port *);void            (*enable_ms)(struct uart_port *);void            (*break_ctl)(struct uart_port *, int ctl);int             (*startup)(struct uart_port *);void            (*shutdown)(struct uart_port *);void            (*flush_buffer)(struct uart_port *);void            (*set_termios)(struct uart_port *, struct ktermios *new,struct ktermios *old);void            (*set_ldisc)(struct uart_port *, int new);void            (*pm)(struct uart_port *, unsigned int state,unsigned int oldstate);int             (*set_wake)(struct uart_port *, unsigned int state);/** Return a string describing the type of the port*/const char      *(*type)(struct uart_port *);/** Release IO and memory resources used by the port.* This includes iounmap if necessary.*/void            (*release_port)(struct uart_port *);/** Request IO and memory resources used by the port.* This includes iomapping the port if necessary.*/int             (*request_port)(struct uart_port *);void            (*config_port)(struct uart_port *, int);int             (*verify_port)(struct uart_port *, struct serial_struct *);int             (*ioctl)(struct uart_port *, unsigned int, unsigned long);
#ifdef CONFIG_CONSOLE_POLLint             (*poll_init)(struct uart_port *);void            (*poll_put_char)(struct uart_port *, unsigned char);int             (*poll_get_char)(struct uart_port *);
#endif
};

1.2 数据处理流程

相较于前面学习的spi子系统和iic子系统，uart驱动通常情况不需要根据协议的时序额外编写新的传输函数，这里可以直接提供write函数和read函数实现数据的互传。
在这里插入图片描述
这部分的内容我们在应用层实验的时候已经详细介绍过了，感兴趣可以回顾一下。

二、驱动编写

我们这里采用的8250通用驱动，对于不同驱动其函数名称和入口参数可能有所不同，这里我们简单学习梳理一下框架即可，通常来说我们是只需要进行应用层的编写。

1. 设备树的修改

代码如下（示例）：

uart3: serial@fe670000 {compatible = "rockchip,rk3568-uart", "snps,dw-apb-uart";reg = <0x0 0xfe670000 0x0 0x100>;interrupts = <GIC_SPI 119 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;clocks = <&cru SCLK_UART3>, <&cru PCLK_UART3>;clock-names = "baudclk", "apb_pclk";reg-shift = <2>;reg-io-width = <4>;dmas = <&dmac0 6>, <&dmac0 7>;pinctrl-names = "default";pinctrl-0 = <&uart3m0_xfer>;status = "disabled";};//uart3的复用
uart3 {/omit-if-no-ref/uart3m0_xfer: uart3m0-xfer {rockchip,pins =/* uart3_rxm0 */<1 RK_PA0 2 &pcfg_pull_up>,/* uart3_txm0 */<1 RK_PA1 2 &pcfg_pull_up>;};/omit-if-no-ref/uart3m0_ctsn: uart3m0-ctsn {rockchip,pins =/* uart3m0_ctsn */<1 RK_PA3 2 &pcfg_pull_none>;};/omit-if-no-ref/uart3m0_rtsn: uart3m0-rtsn {rockchip,pins =/* uart3m0_rtsn */<1 RK_PA2 2 &pcfg_pull_none>;};/omit-if-no-ref/uart3m1_xfer: uart3m1-xfer {rockchip,pins =/* uart3_rxm1 */<3 RK_PC0 4 &pcfg_pull_up>,/* uart3_txm1 */<3 RK_PB7 4 &pcfg_pull_up>;};};

接着根据我们的需要继续编写即可，泰山派这里已经默认将uart3配置好了，这里可以直接调用。

//用户串口3
&uart3 {status = "okay";pinctrl-names = "default";pinctrl-0 = <&uart3m1_xfer>;...};

2. 相关API函数

//注册 uart_driver
int uart_register_driver(struct uart_driver *drv)

参数
- drv ：要注册的 uart_driver
返回值
- 成功：0
- 失败：负值

//注销uart_driver
void uart_unregister_driver(struct uart_driver *drv)

参数
- drv ：要注销的 uart_driver
返回值：无

//
int serial8250_register_8250_port(struct uart_8250_port *up);

参数
- up：指向 uart_8250_port 结构体的指针，该结构体包含了要注册的 8250 UART 端口的所有必要信息。
返回值
- 成功：端口的线路号（line）
- 失败：错误码

void serial8250_unregister_port(int line);

参数
- line：要注销的 UART 端口的线路号（line），通常是在调用 serial8250_register_8250_port 时返回的值。
返回值：无

3. 驱动框架

实际上，我们可以简单地将uart驱动理解为是一个 platform 驱动在驱动入口函数中调用uart_register_driver 函数向 Linux 内核注册 uart_driver，在驱动出口函数中调用uart_unregister_driver 函数注销掉前面注册的 uart_driver，当设备和驱动匹配成功以后进入probe 函数，此函数的重点工作就是初始化uart_8250_port(uart_port)，然后将其添加到对应的uart_driver 中。在初始化uart_port过程中，设置 uart_ops 为对应的 XXX_ops即可。

4. 具体功能的实现

4.1 出入口函数的编写

static int __init my_uart_init(void)
{int ret;// 初始化uart_driver结构体my_uart_driver = (struct uart_driver) {.owner      = THIS_MODULE,.driver_name= DRIVER_NAME,.dev_name   = "ttyMY",.major      = TTY_MAJOR,.minor      = 64,.nr         = 1,};// 注册UART驱动ret = uart_register_driver(&my_uart_driver);if (ret)return ret;// 初始化uart_8250_port结构体my_uart_port.port = (struct uart_port) {.iotype     = UPIO_PORT,.mapbase    = UART_BASE,.irq        = UART_IRQ,.uartclk    = UART_CLOCK,.fifosize   = 16,.ops        = &my_uart_ops,.line       = 0,};// 注册8250 UART端口line = serial8250_register_8250_port(&my_uart_port);if (line)uart_unregister_driver(&my_uart_driver);return line;
}static void __exit my_uart_exit(void)
{serial8250_unregister_port(line);uart_unregister_driver(&my_uart_driver);
}module_init(my_uart_init);
module_exit(my_uart_exit);

4.2 读写函数

static void my_uart_start_tx(struct uart_port *port)
{struct uart_8250_port *up = (struct uart_8250_port *)port;unsigned int ier;spin_lock_irq(&up->port.lock);// 启用发送中断ier = serial_in(up, UART_IER);serial_out(up, UART_IER, ier | UART_IER_THRI);spin_unlock_irq(&up->port.lock);
}static void my_uart_stop_tx(struct uart_port *port)
{struct uart_8250_port *up = (struct uart_8250_port *)port;unsigned int ier;spin_lock_irq(&up->port.lock);// 禁用发送中断ier = serial_in(up, UART_IER);serial_out(up, UART_IER, ier & ~UART_IER_THRI);spin_unlock_irq(&up->port.lock);
}static irqreturn_t my_uart_interrupt(int irq, void *dev_id)
{struct uart_8250_port *up = dev_id;unsigned int iir = serial_in(up, UART_IIR);// 检查中断类型并处理if (!(iir & UART_IIR_NO_INT)) {if (iir & UART_IIR_RDI)serial8250_rx_chars(up);if (iir & UART_IIR_THRI)serial8250_tx_chars(up);return IRQ_HANDLED;}return IRQ_NONE;
}