本文参考了大量牛人的博客,对大神的分享表示由衷的感谢。
主要参考:
tty驱动分析 :http://www./linux_kenrel/183.html
Linux TTY驱动--Uart_driver底层:http://blog.csdn.net/sharecode/article/details/9196591
Linux TTY驱动--Serial Core层 :http://blog.csdn.net/sharecode/article/details/9197567
前面学习过了 i2c、spi,这俩都是基于设备总线驱动模型,分析起来相对比较简单,今天打算迎难而上学习一下 Uart 驱动程序,因为它涉及到 tty 、线路规程,确实有些难度,幸好有万能的互联网让我可以学习大神们的博客。一天下来总算有些收获,下面总结一下(主要是框架)。
整个 uart 框架大概的样子如上图所示,简单来分的话可以说成两层,一层是下层我们的串口驱动层,它直接与硬件相接触,我们需要填充一个 struct uart_ops 的结构体,另一层是上层 tty 层,包括 tty 核心以及线路规程,它们各自都有一个 Ops 结构,用户空通过间是 tty 注册的字符设备节点来访问,这么说来如上图所示涉及到了4个 ops 结构了,层层跳转。下面,就来分析分析它们的层次结构。
在 s3c2440 平台,它是这样来注册串口驱动的,分配一个struct uart_driver 简单填充,并调用uart_register_driver 注册到内核中去。
static struct uart_driver s3c24xx_uart_drv = { .dev_name = "s3c2410_serial", .nr = CONFIG_SERIAL_SAMSUNG_UARTS, .cons = S3C24XX_SERIAL_CONSOLE, .driver_name = S3C24XX_SERIAL_NAME, .major = S3C24XX_SERIAL_MAJOR, .minor = S3C24XX_SERIAL_MINOR, static int __init s3c24xx_serial_modinit(void) ret = uart_register_driver(&s3c24xx_uart_drv); printk(KERN_ERR "failed to register UART driver\n");
uart_driver 中,我们只是填充了一些名字、设备号等信息,这些都是不涉及底层硬件访问的,那是怎么回事呢?来看一下完整的 uart_driver 结构或许就明白了。
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 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 */ struct uart_state *state; <span style="white-space:pre"> </span>/* 下层,串口驱动层 */ struct tty_driver *tty_driver; /* tty相关 */
在我们上边填充的结构体中,有两个成员未被赋值,对于tty_driver 代表的是上层,它会在 register_uart_driver 中的过程中赋值,而uart_state 则代表下层,uart_state
也会在register_uart_driver 的过程中分配空间,但是它里面真正设置硬件相关的东西是 uart_state->uart_port ,这个uart_port 是需要我们从其它地方调用 uart_add_one_port 来添加的。
1、下层(串口驱动层)
首先,我们需要认识这几个结构体
struct tasklet_struct tlet; struct uart_port *uart_port; // 对应于一个串口设备
在注册 driver 时,会根据 uart_driver->nr 来申请 nr 个 uart_state 空间,用来存放驱动所支持的串口(端口)的物理信息。
spinlock_t lock; /* port lock */ unsigned long iobase; /* io端口基地址(物理) */ unsigned char __iomem *membase; /* io内存基地址(虚拟) */ unsigned int (*serial_in)(struct uart_port *, int); void (*serial_out)(struct uart_port *, int, int); unsigned int irq; /* 中断号 */ unsigned long irqflags; /* 中断标志 */ unsigned int uartclk; /* 串口时钟 */ unsigned int fifosize; /* 串口缓冲区大小 */ unsigned char x_char; /* xon/xoff char */ unsigned char regshift; /* 寄存器位移 */ unsigned char iotype; /* IO访问方式 */ unsigned int read_status_mask; /* 关心 Rx error status */ unsigned int ignore_status_mask; /* 忽略 Rx error status */ struct uart_state *state; /* pointer to parent state */ struct uart_icount icount; /* 串口信息计数器 */ struct console *cons; /* struct console, if any */ #if defined(CONFIG_SERIAL_CORE_CONSOLE) || defined(SUPPORT_SYSRQ) unsigned long sysrq; /* sysrq timeout */ 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 */ unsigned int custom_divisor; unsigned int line; /* 端口索引 */ resource_size_t mapbase; /* io内存物理基地址 */ struct device *dev; /* 父设备 */ unsigned char hub6; /* this should be in the 8250 driver */ void *private_data; /* generic platform data pointer */
这个结构体,是需要我们自己来填充的,比如我们 s3c2440 有3个串口,那么就需要填充3个 uart_port ,并且通过 uart_add_one_port 添加到 uart_driver->uart_state->uart_port 中去。当然 uart_driver 有多个 uart_state ,每个 uart_state 有一个 uart_port
。在 uart_port 里还有一个非常重要的成员 struct uart_ops *ops ,这个也是需要我们自己来实现的,一般芯片厂家都写好了吧?或者只需要稍作修改。
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 (*flush_buffer)(struct uart_port *); void (*set_termios)(struct uart_port *, struct ktermios *new, struct ktermios *old); /* 设置串口参数 */ void (*set_ldisc)(struct uart_port *);/* 设置线路规程 */ 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); * 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 *); /* 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); #ifdef CONFIG_CONSOLE_POLL void (*poll_put_char)(struct uart_port *, unsigned char); int (*poll_get_char)(struct uart_port *);
实在是太复杂了。。。但这一层就跟裸机程序一样,用来操作硬件寄存器,只不过内核把“格式”给我们规定死了。
2、上层(tty 核心层)
tty 层要从 register_uart_driver 来看起了,因为 tty_driver 是在注册过程中构建的,我们也就顺便了解了注册过程~。
int uart_register_driver(struct uart_driver *drv) struct tty_driver *normal = NULL; /* 根据driver支持的最大设备数,申请n个 uart_state 空间,每一个 uart_state 都有一个uart_port */ drv->state = kzalloc(sizeof(struct uart_state) * drv->nr, GFP_KERNEL); /* tty层:分配一个 tty_driver ,并将drv->tty_driver 指向它 */ normal = alloc_tty_driver(drv->nr); drv->tty_driver = normal; normal->owner = drv->owner; normal->driver_name = drv->driver_name; normal->name = drv->dev_name; normal->major = drv->major; normal->minor_start = drv->minor; normal->type = TTY_DRIVER_TYPE_SERIAL; normal->subtype = SERIAL_TYPE_NORMAL; normal->init_termios = tty_std_termios; normal->init_termios.c_cflag = B9600 | CS8 | CREAD | HUPCL | CLOCAL; normal->init_termios.c_ispeed = normal->init_termios.c_ospeed = 9600; normal->flags = TTY_DRIVER_REAL_RAW | TTY_DRIVER_DYNAMIC_DEV; normal->driver_state = drv; tty_set_operations(normal, &uart_ops); * Initialise the UART state(s). for (i = 0; i < drv->nr; i++) { struct uart_state *state = drv->state + i; struct tty_port *port = &state->port; /* driver->state->tty_port */ port->close_delay = 500; /* .5 seconds */ port->closing_wait = 30000; /* 30 seconds */ tasklet_init(&state->tlet, uart_tasklet_action, /* tty层:注册 driver->tty_driver */ retval = tty_register_driver(normal);
注册过程干了哪些事:
1、根据driver支持的最大设备数,申请n个 uart_state 空间,每一个 uart_state 都有一个 uart_port 。
2、分配一个 tty_driver ,并将drv->tty_driver 指向它。
3、对 tty_driver 进行设置,其中包括默认波特率、校验方式等,还有一个重要的 Ops ,uart_ops ,它是tty核心与我们串口驱动通信的接口。
4、初始化每一个 uart_state 的 tasklet 。
5、注册 tty_driver 。
注册 uart_driver 实际上是注册 tty_driver,因此与用户空间打交道的工作完全交给了 tty_driver ,而且这一部分都是内核实现好的,我们不需要修改,了解一下工作原理即可。
static const struct tty_operations uart_ops = { .put_char = uart_put_char, // 单字节写函数 .flush_chars = uart_flush_chars, // 刷新数据到硬件函数 .write_room = uart_write_room, // 指示多少缓冲空闲的函数 .chars_in_buffer= uart_chars_in_buffer, // 只是多少缓冲满的函数 .flush_buffer = uart_flush_buffer, // 刷新数据到硬件 .throttle = uart_throttle, .unthrottle = uart_unthrottle, .send_xchar = uart_send_xchar, .set_termios = uart_set_termios, // 当termios设置被改变时又tty核心调用 .set_ldisc = uart_set_ldisc, // 设置线路规程函数 .hangup = uart_hangup, // 挂起函数,当驱动挂起tty设备时调用 .break_ctl = uart_break_ctl, // 线路中断控制函数 .wait_until_sent= uart_wait_until_sent, .proc_fops = &uart_proc_fops, .tiocmget = uart_tiocmget, // 获得当前tty的线路规程的设置 .tiocmset = uart_tiocmset, // 设置当前tty线路规程的设置 #ifdef CONFIG_CONSOLE_POLL .poll_init = uart_poll_init, .poll_get_char = uart_poll_get_char, .poll_put_char = uart_poll_put_char,
这个是 tty 核心的 Ops ,简单一看,后面分析调用关系时,我们在来看具体的里边的函数,下面来看 tty_driver 的注册。
int tty_register_driver(struct tty_driver *driver) if (!(driver->flags & TTY_DRIVER_DEVPTS_MEM) && driver->num) { p = kzalloc(driver->num * 2 * sizeof(void *), GFP_KERNEL); error = alloc_chrdev_region(&dev, driver->minor_start, driver->num, driver->name); dev = MKDEV(driver->major, driver->minor_start); error = register_chrdev_region(dev, driver->num, driver->name); if (p) { /* 为线路规程和termios分配空间 */ driver->ttys = (struct tty_struct **)p; driver->termios = (struct ktermios **)(p + driver->num); cdev_init(&driver->cdev, &tty_fops); driver->cdev.owner = driver->owner; error = cdev_add(&driver->cdev, dev, driver->num); /* 将该 driver->tty_drivers 添加到全局链表 tty_drivers */ list_add(&driver->tty_drivers, &tty_drivers); mutex_unlock(&tty_mutex); if (!(driver->flags & TTY_DRIVER_DYNAMIC_DEV)) { for (i = 0; i < driver->num; i++) tty_register_device(driver, i, NULL); proc_tty_register_driver(driver); driver->flags |= TTY_DRIVER_INSTALLED;
tty_driver 注册过程干了哪些事:
1、为线路规程和termios分配空间,并使 tty_driver 相应的成员指向它们。
2、注册字符设备,名字是 uart_driver->name 我们这里是“ttySAC”,文件操作函数集是 tty_fops。
3、将该 uart_driver->tty_drivers 添加到全局链表 tty_drivers 。
4、向 proc 文件系统添加 driver ,这个暂时不了解。
至此,文章起初的结构图中的4个ops已经出现了3个,另一个关于线路规程的在哪?继续看吧。
3、调用关系分析
tty_driver 不是注册了一个字符设备么,那我们就以它的 tty_fops 入手,以 open、read、write 为例,看看用户空间是如何访问到最底层的硬件操作函数的。
3.1 tty_open
static int tty_open(struct inode *inode, struct file *filp) ret = __tty_open(inode, filp);
为了方便分析,我把看不懂的代码都删掉了- -!!!
static int __tty_open(struct inode *inode, struct file *filp) struct tty_struct *tty = NULL; struct tty_driver *driver; dev_t device = inode->i_rdev; unsigned saved_flags = filp->f_flags; //在全局tty_drivers链表中获取Core注册的tty_driver driver = get_tty_driver(device, &index); tty = tty_init_dev(driver, index, 0); // tty->ops = driver->ops; filp->private_data = tty; /* 调用tty_driver->tty_foperation->open */ retval = tty->ops->open(tty, filp);
从 tty_drivers 全局链表获取到前边我们注册进去的 tty_driver ,然后分配设置一个 struct tty_struct 的东西,最后调用 tty_struct->ops->open 函数,其实 tty_struct->ops == tty_driver->ops
。
struct tty_struct *tty_init_dev(struct tty_driver *driver, int idx, int first_ok) tty = alloc_tty_struct(); /* 初始化 tty ,设置线路规程 Ops 等 */ initialize_tty_struct(tty, driver, idx); //tty_ldisc_open(tty, ld)-> return ld->ops->open(tty) -> n_tty_open retval = tty_ldisc_setup(tty, tty->link);
void initialize_tty_struct(struct tty_struct *tty, struct tty_driver *driver, int idx) memset(tty, 0, sizeof(struct tty_struct)); tty_ldisc_init(tty);//struct tty_ldisc *ld = tty_ldisc_get(N_TTY);tty_ldisc_assign(tty, ld); init_waitqueue_head(&tty->write_wait); init_waitqueue_head(&tty->read_wait); /* 将driver->ops 拷贝到 tty->ops */
void tty_buffer_init(struct tty_struct *tty) spin_lock_init(&tty->buf.lock); tty->buf.memory_used = 0; INIT_DELAYED_WORK(&tty->buf.work, flush_to_ldisc);
整个 tty_open 的工作:
1、获取到 tty_driver
2、根据 tty_driver 初始化一个 tty_struct
2.1 设置 tty_struct 的线路规程为 N_TTY (不同类型的线路规程有不同的 ops)
2.2 初始化一个延时工作队列,唤醒时调用flush_to_ldisc ,读函数时我们需要分析它。
2.3 初始化 tty_struct 里的两个等待队列头。
2.4 设置 tty_struct->ops == tty_driver->ops 。
3、在 tty_ldisc_setup 函数中调用到线路规程的open函数,对于 N_TTY 来说是 n_tty_open 。
4、如果 tty_struct->ops 也就是 tty_driver->ops 定义了 open 函数则调用,显然是有的 uart_open 。
对于 n_tty_open ,它应该是对线路规程如何“格式化数据”进行设置,太复杂了,忽略掉吧,跟我们没多大关系了。对于 uart_open 还是有必要贴代码一看的。
static int uart_open(struct tty_struct *tty, struct file *filp) struct uart_driver *drv = (struct uart_driver *)tty->driver->driver_state; struct uart_state *state; int retval, line = tty->index; state = uart_get(drv, line); tty->driver_data = state; state->uart_port->state = state; /* uport->ops->startup(uport) 调用到最底层的ops里的startup 函数*/ retval = uart_startup(state, 0);
根据 tty_struct 获取到 uart_driver ,再由 uart_driver 获取到里面 uart_state->uart_port->ops->startup 调用它。至此,open函数分析完毕,它不是简单的 “打开”,还有大量的初始化工作,最终调用到最底层的 startup 函数。
3.2 tty_write
static ssize_t tty_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) struct inode *inode = file->f_path.dentry->d_inode; tty = (struct tty_struct *)file->private_data; ld = tty_ldisc_ref_wait(tty); /* 调用 线路规程 n_tty_write 函数 */ ret = do_tty_write(ld->ops->write, tty, file, buf, count);
static ssize_t n_tty_write(struct tty_struct *tty, struct file *file, const unsigned char *buf, size_t nr) const unsigned char *b = buf; DECLARE_WAITQUEUE(wait, current); add_wait_queue(&tty->write_wait, &wait); set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); if (signal_pending(current)) { if (tty_hung_up_p(file) || (tty->link && !tty->link->count)) { if (O_OPOST(tty) && !(test_bit(TTY_HW_COOK_OUT, &tty->flags))) { c = tty->ops->write(tty, b, nr); if (file->f_flags & O_NONBLOCK) {
n_tty_write 调用 tty->ops->write 也就是 uart_write .
static int uart_write(struct tty_struct *tty, const unsigned char *buf, int count) static void uart_start(struct tty_struct *tty) static void __uart_start(struct tty_struct *tty) struct uart_state *state = tty->driver_data; struct uart_port *port = state->uart_port; if (!uart_circ_empty(&state->xmit) && state->xmit.buf && !tty->stopped && !tty->hw_stopped) port->ops->start_tx(port);
uart_write 又调用到了最底层的 uart_port->ops->start_tx 函数。
猜测一下,大概“写”的思路:
1、将当前进程加入到等待队列
2、设置当前进程为可打断的
3、层层调用最终调用到底层的 start_tx 函数,将要发送的数据存入 DATA 寄存器,由硬件自动发送。
4、进程调度,当前进程进入休眠。
5、硬件发送完成,进入中断处理函数,唤醒对面队列。
当然这只是我自己意淫的,到底是不是这样,具体分析底层操作函数的时候应该会明白。
3.2 tty_read
static ssize_t tty_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, tty = (struct tty_struct *)file->private_data; inode = file->f_path.dentry->d_inode; /* We want to wait for the line discipline to sort out in this ld = tty_ldisc_ref_wait(tty); i = (ld->ops->read)(tty, file, buf, count); inode->i_atime = current_fs_time(inode->i_sb);
调用线路规程的 read 函数,对于 N_TTY 来说是 n_tty_read ,删掉了一堆看不懂的代码,还是有很多static ssize_t n_tty_read(struct tty_struct *tty, struct file *file, unsigned char __user *buf, size_t nr) unsigned char __user *b = buf; DECLARE_WAITQUEUE(wait, current); c = job_control(tty, file); timeout = MAX_SCHEDULE_TIMEOUT; add_wait_queue(&tty->read_wait, &wait); /* First test for status change. */ if (packet && tty->link->ctrl_status) { /* This statement must be first before checking for input so that any interrupt will set the state back to set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); if (((minimum - (b - buf)) < tty->minimum_to_wake) && ((minimum - (b - buf)) >= 1)) tty->minimum_to_wake = (minimum - (b - buf)); if (!input_available_p(tty, 0)) { /* FIXME: does n_tty_set_room need locking ? */ timeout = schedule_timeout(timeout); __set_current_state(TASK_RUNNING); /* Deal with packet mode. */ if (packet && b == buf) { /* N.B. avoid overrun if nr == 0 */ while (nr && tty->read_cnt) { eol = test_and_clear_bit(tty->read_tail, /* 从tty->read_buf 获取数据 */ c = tty->read_buf[tty->read_tail]; spin_lock_irqsave(&tty->read_lock, flags); tty->read_tail = ((tty->read_tail+1) & /* this test should be redundant: * we shouldn't be reading data if if (--tty->canon_data < 0) spin_unlock_irqrestore(&tty->read_lock, flags); if (!eol || (c != __DISABLED_CHAR)) { if (tty_put_user(tty, c, b++)) { mutex_unlock(&tty->atomic_read_lock); remove_wait_queue(&tty->read_wait, &wait); if (!waitqueue_active(&tty->read_wait)) tty->minimum_to_wake = minimum; __set_current_state(TASK_RUNNING);
“读”过程干了哪些事:
1、将当前进程加入等待队列
2、设置当前进程可中断
3、进程调度,当前进程进入休眠
4、在某处被唤醒
5、从 tty->read_buf 取出数据,通过 tty_put_user 拷贝到用户空间。
那么,在何处唤醒,猜测应该是在中断处理函数中,当DATA寄存器满,触发中断,中断处理函数中调用 tty_flip_buffer_push 。
void tty_flip_buffer_push(struct tty_struct *tty) spin_lock_irqsave(&tty->buf.lock, flags); if (tty->buf.tail != NULL) tty->buf.tail->commit = tty->buf.tail->used; spin_unlock_irqrestore(&tty->buf.lock, flags); flush_to_ldisc(&tty->buf.work.work); schedule_delayed_work(&tty->buf.work, 1);
tty_flip_buffer_push 有两种方式调用到 flush_to_ldisc ,一种直接调用,另一种使用延时工作队列,在很久很久以前,我们初始化了这么一个工作队列~(tty_open 初始化 tty_struct 时前面有提到)。
在 flush_to_ldisc 会调用到 disc->ops->receive_buf ,对于 N_TTY 来说是 n_tty_receive_buf
,在 n_tty_receive_buf 中,将数据拷贝到 tty->read_buf ,然后 wake_up_interruptible(&tty->read_wait) 唤醒休眠队列。然后就是前面提到的,在n_tty_read
函数中 从 tty->read_buf 里取出数据 拷贝到用户空间了。
至此,关于 uart 的框架分析基本就结束了~对于 tty 以及线路规程是什么东西,大概了解是个什么东西。虽然大部分东西都不需要我们自己实现,但是了解它们有益无害~
下一篇文章,以 s3c2440 为例,分析底层的操作函数,以及 s3c2440 是如何初始化 uart_port 结构的~,这些是在移植驱动过程中需要做的工作~
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