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原创 UART驱动，从驱动原理到实际驱动

 2011-9-2 19:33  6303 9 9 分类: 软件与OS

第五章 Linux文件系统与设备文件

5.1 Linux文件系统与设备驱动

应用程序和VFS之间的接口是系统调用，而VFS与磁盘文件系统以及普通之间的接口是file_operations结构体成员函数。

在设备驱动程序设计中，一般而言，会关心file和inode这两个结构体

（1）file结构体

File结构体代表一个打开的文件，系统中每个打开的文件在内核空间中有一个关联的struct file

struct file {

* fu_list becomes invalid after file_free is called and queued via

* fu_rcuhead for RCU freeing

union {

struct list_head fu_list;

struct rcu_head fu_rcuhead;

} f_u;

struct path f_path;

#define f_dentry f_path.dentry

#define f_vfsmnt f_path.mnt

const struct file_operations *f_op; /*和文件关联的操作*/

atomic_long_t f_count;

unsigned int f_flags; /*文件标志，如O_RDONLY、O_NONBLOCK、O_SYNC*/

fmode_t f_mode; /*文件读/写模式*/

loff_t f_pos; /*当前读写的位置*/

struct fown_struct f_owner;

unsigned int f_uid, f_gid;

struct file_ra_state f_ra;

u64 f_version;

#ifdef CONFIG_SECURITY

void *f_security;

#endif

/* needed for tty driver, and maybe others */

void *private_data;

#ifdef CONFIG_EPOLL

/* Used by fs/eventpoll.c to link all the hooks to this file */

struct list_head f_ep_links;

spinlock_t f_ep_lock;

#endif /* #ifdef CONFIG_EPOLL */

struct address_space *f_mapping;

#ifdef CONFIG_DEBUG_WRITECOUNT

unsigned long f_mnt_write_state;

#endif

};

（2）inode结构体

VFS inode包括文件访问权限、属主、组、大小、生成时间、访问时间、最后修改时间等信息、他是Linux文件系统的最基本单位、也是文件系统连接任何子目录、文件的桥梁。

struct inode {

struct hlist_node i_hash;

struct list_head i_list;

struct list_head i_sb_list;

struct list_head i_dentry;

unsigned long i_ino;

atomic_t i_count;

unsigned int i_nlink;

uid_t i_uid;

gid_t i_gid;

dev_t i_rdev;

u64 i_version;

loff_t i_size;

#ifdef __NEED_I_SIZE_ORDERED

seqcount_t i_size_seqcount;

#endif

struct timespec i_atime;

struct timespec i_mtime;

struct timespec i_ctime;

unsigned int i_blkbits;

blkcnt_t i_blocks;

unsigned short i_bytes;

umode_t i_mode;

spinlock_t i_lock; /* i_blocks, i_bytes, maybe i_size */

struct mutex i_mutex;

struct rw_semaphore i_alloc_sem;

const struct inode_operations *i_op;

const struct file_operations *i_fop; /* former ->i_op->default_file_ops */

struct super_block *i_sb;

struct file_lock *i_flock;

struct address_space *i_mapping;

struct address_space i_data;

#ifdef CONFIG_QUOTA

struct dquot *i_dquot[MAXQUOTAS];

#endif

struct list_head i_devices;

union {

struct pipe_inode_info *i_pipe;

struct block_device *i_bdev;

struct cdev *i_cdev;

};

int i_cindex;

__u32 i_generation;

#ifdef CONFIG_DNOTIFY

unsigned long i_dnotify_mask; /* Directory notify events */

struct dnotify_struct *i_dnotify; /* for directory notifications */

#endif

#ifdef CONFIG_INOTIFY

struct list_head inotify_watches; /* watches on this inode */

struct mutex inotify_mutex; /* protects the watches list */

#endif

unsigned long i_state;

unsigned long dirtied_when; /* jiffies of first dirtying */

unsigned int i_flags;

atomic_t i_writecount;

#ifdef CONFIG_SECURITY

void *i_security;

#endif

void *i_private; /* fs or device private pointer */

};

5.2 sysfs文件系统与Linux设备模型

Sysfs文件系统是一个虚拟文件系统，它把连接在系统上的设备和总线组织成一个分级的文件，它们可以由用户空间存取，其顶级目录包括block、device、bus、drivers、class、power和fireware。

在/sys/bus的pci子目录下，又会再分出drivers和devices目录，而devices目录中的文件对/sys/devices目录中的文件的符号连接。

Device_driver和device分别表示驱动和设备，而这两者都必须依附于一种总线，因此包含struct bus_type指针。在Linux 内核中，设备和驱动是分开注册的。

第六章字符设备驱动

6.1字符设备驱动结构

6.1.1 cdev结构体

cdev结构体描述一个字符设备，结构体如下：

获得主设备号和次设备号：

cdev_init():初始化cdev的成员，并建立cdev和file_operations之间的连接

cdev_alloc():用于动态申请一个cdev内存

cdev_add()函数和cdev_del()分别向系统添加和删除一个cdev

6.1.2 file_operation结构体

file_operation结构体中的成员函数是字符设备驱动程序设计的主体内容。这些函数实际会在应用程序进行Linux的open()、write()、read()、close()等系统调用时最终调用。

完成内核空间和用户空间内存拷贝的函数为：copy_from_user()和copy_to_user().

6.2 globalmem虚拟设备实例描述

Globalmem意味着“全局内存”，在globalmem字符设备驱动中会分配一片大笑为GLOBALMEM_SIZE的内存空间，并在驱动中提供针对该片内存的读写、控制和定位函数，以供用户空间的进程能通过Linux系统调用访问这篇内存。

第十二章工程中的Linux设备驱动

在嵌入式系统里面，SoC系统中集成的独立的外设控制器、挂接在SoC内存空间的外设等不依附于总线。故Linux发明了一种虚拟总线，称为platform总线，相应的设备称为platform_device,而驱动称为paltform_driver。

struct platform_device {

const char * name; /*设备名*/

int id;

struct device dev;

u32 num_resources; /*设备所使用各类资源数量*/

struct resource * resource; /*资源*/

};

struct platform_driver {

int (*probe)(struct platform_device *);

int (*remove)(struct platform_device *);

void (*shutdown)(struct platform_device *);

int (*suspend)(struct platform_device *, pm_message_t state);

int (*suspend_late)(struct platform_device *, pm_message_t state);

int (*resume_early)(struct platform_device *);

int (*resume)(struct platform_device *);

struct pm_ext_ops *pm;

struct device_driver driver;

};

模块加载和卸载函数仅仅通过platform_driver_register(),platform_driver_unregister()函数进行platform_driver的注册和注销，而原先的注册和注销字符设备驱动核心移交到platform_driver的probe()和remove()成员函数中。

Linux的设备驱动分层结构：

硬件的相关信息屏蔽在板文件platform_device的platform_data中。

第十四章 Linux终端设备驱动

一、终端设备驱动结构

Linux内核中的tty的层次结构如图：

tty设备发送数据流程：tty核心将用户获取的将要发给一个tty设备的数据，tty核心将数据传递给tty线路规程驱动，接着数据被传递到tty驱动，tty驱动将数据转换为可以发送给硬件的格式。

二、tty设备驱动

Driver/char/tty_io.c定义了tty设备通用的file_operations结构体并实现了接口函数tty_register_driver()用于注册tty设备，他会利用fs/char_dev.c提供的接口函数注册字符设备，与具体设备对应的tty驱动将实现tty_driver结构体中的成员函数。同时tty_io.c也提供了tty_register_ldisc()接口函数用于注册线路规程。

struct tty_driver {

int magic; /* magic number for this structure 该结构体的幻数*/

struct kref kref; /* Reference management reference 管理 */

struct cdev cdev;

struct module *owner;

const char *driver_name;

const char *name;

int name_base; /* offset of printed name */

int major; /* major device number 主设备号*/

int minor_start; /* start of minor device number 开始次设备号 */

int minor_num; /* number of *possible* devices 可能的设备数量 */

int num; /* number of devices allocated 被分配的设备数量 */

short type; /* type of tty driver tty驱动的类型*/

short subtype; /* subtype of tty driver tty驱动的子类 */

struct ktermios init_termios; /* Initial termios 初始的temios*/

int flags; /* tty driver flags tty驱动的标志*/

struct proc_dir_entry *proc_entry; /* /proc fs entry /proc入口*/

struct tty_driver *other; /* only used for the PTY driver 仅对PTY驱动有用*/

* Pointer to the tty data structures

struct tty_struct **ttys;

struct ktermios **termios;

struct ktermios **termios_locked;

void *driver_state;

* Driver methods

const struct tty_operations *ops;

struct list_head tty_drivers;

};

其中：driver_name是驱动名字，出现在/proc/tty和sysfs中，name是设备节点名。

Init_termios为出事线路设置，为一个termios结构体。Termios用于保存当前的线路设置，这些线路设置控制当前的波特率、数据大小、数据流控设置等。

/*temios用于保存当前的线路设置，这些线路设置当前波特率、数据大小、数据流控制*/

struct ktermios {

tcflag_t c_iflag; /* input mode flags */

tcflag_t c_oflag; /* output mode flags */

tcflag_t c_cflag; /* control mode flags */

tcflag_t c_lflag; /* local mode flags */

cc_t c_line; /* line discipline */

cc_t c_cc[NCCS]; /* control characters */

speed_t c_ispeed; /* input speed */

speed_t c_ospeed; /* output speed */

};

tty_operation结构体中有一些列的函数，主要实现了open(),close(),write(),tiocmget(),tiocmset()等函数。

三、UART设备驱动

Linux已经在serial_core.c中实现了UART设备的通用tty驱动层(姑且称其为串口核心层)，这样UART驱动的主要任务变成实现serial-core.c中定义的uart_xxx接口。

1.uart_driver

Uart_driver包含了设备的驱动名、设备名、设备号等信息，它封转了tty_driver，使得递呈的UART驱动无须关心tty_driver.

struct uart_driver {

struct module *owner;

const char *driver_name; /*驱动名*/

const char *dev_name; /*设备名*/

int major; /*主设备号*/

int minor; /*次设备号*/

int nr;

struct console *cons;

* these are private; the low level driver should not

* touch these; they should be initialised to NULL

struct uart_state *state;

struct tty_driver *tty_driver;

};

2.uart_port

Uart_port用于描述一个UART端口的I/O端口或I/O内存地址、FIFO大小、端口等信息。

struct uart_port {

spinlock_t lock; /* port lock 端口锁*/

unsigned long iobase; /* in/out[bwl] I/O端口基地址 */

unsigned char __iomem *membase; /* read/write[bwl] I/O内存地址*/

unsigned int irq; /* irq number 终端号*/

unsigned int uartclk; /* base uart clock UART时钟*/

unsigned int fifosize; /* tx fifo size 传输的FIFO大小*/

unsigned char x_char; /* xon/xoff char xon/xoff字符 */

unsigned char regshift; /* reg offset shift 寄存器位移*/

unsigned char iotype; /* io access style I/O内存类型 */

unsigned char unused1;

#define UPIO_PORT (0)

#define UPIO_HUB6 (1)

#define UPIO_MEM (2)

#define UPIO_MEM32 (3)

#define UPIO_AU (4) /* Au1x00 type IO */

#define UPIO_TSI (5) /* Tsi108/109 type IO */

#define UPIO_DWAPB (6) /* DesignWare APB UART */

#define UPIO_RM9000 (7) /* RM9000 type IO */

unsigned int read_status_mask; /* driver specific 驱动相关的*/

unsigned int ignore_status_mask; /* driver specific 驱动相关的*/

struct uart_info *info; /* pointer to parent info 指向parent信息 */

struct uart_icount icount; /* statistics 计数*/

struct console *cons; /* struct console, if any console 结构体*/

#ifdef CONFIG_SERIAL_CORE_CONSOLE

unsigned long sysrq; /* sysrq timeout sysrq超时*/

#endif

upf_t flags;

#define UPF_FOURPORT ((__force upf_t) (1 << 1))

#define UPF_SAK ((__force upf_t) (1 << 2))

#define UPF_SPD_MASK ((__force upf_t) (0x1030))

#define UPF_SPD_HI ((__force upf_t) (0x0010))

#define UPF_SPD_VHI ((__force upf_t) (0x0020))

#define UPF_SPD_CUST ((__force upf_t) (0x0030))

#define UPF_SPD_SHI ((__force upf_t) (0x1000))

#define UPF_SPD_WARP ((__force upf_t) (0x1010))

#define UPF_SKIP_TEST ((__force upf_t) (1 << 6))

#define UPF_AUTO_IRQ ((__force upf_t) (1 << 7))

#define UPF_HARDPPS_CD ((__force upf_t) (1 << 11))

#define UPF_LOW_LATENCY ((__force upf_t) (1 << 13))

#define UPF_BUGGY_UART ((__force upf_t) (1 << 14))

#define UPF_MAGIC_MULTIPLIER ((__force upf_t) (1 << 16))

#define UPF_CONS_FLOW ((__force upf_t) (1 << 23))

#define UPF_SHARE_IRQ ((__force upf_t) (1 << 24))

#define UPF_BOOT_AUTOCONF ((__force upf_t) (1 << 28))

#define UPF_FIXED_PORT ((__force upf_t) (1 << 29))

#define UPF_DEAD ((__force upf_t) (1 << 30))

#define UPF_IOREMAP ((__force upf_t) (1 << 31))

#define UPF_CHANGE_MASK ((__force upf_t) (0x17fff))

#define UPF_USR_MASK ((__force upf_t) (UPF_SPD_MASK|UPF_LOW_LATENCY))

unsigned int mctrl; /* current modem ctrl settings 目前的modem控制设置*/

unsigned int timeout; /* character-based timeout 基于字符的超时*/

unsigned int type; /* port type 端口类型*/

const struct uart_ops *ops; /*UART操作集*/

unsigned int custom_divisor;

unsigned int line; /* port index 端口索引*/

resource_size_t mapbase; /* for ioremap ioremap后基地址*/

struct device *dev; /* parent device parament设备 */

unsigned char hub6; /* this should be in the 8250 driver */

unsigned char suspended;

unsigned char unused[2];

void *private_data; /* generic platform data pointer */

};

3、uart_ops

Uart_ops定义了针对UART的一些列操作，包括发送、接收及线路设置等。

在serial_core.c中定义了tty_operations的实例，包含uart_open()，uart_close()等。这些函数会借助uart_ops结构体中成员函数来完成具体的操作。例如，tty_operations的uart_send_xchar（）成员函数利用uart_ops中的start_tx()、send_xchar()成员函数的实例。