linux驅動基礎系列--Linux 串口、usb轉串口驅動分析

轉載於:https://www.cnblogs.com/rongpmcu/p/7662278.html

 

前言

　　主要是想對Linux 串口、usb轉串口驅動框架有一個整體的把控，因此會忽略某些細節，同時里面涉及到的一些驅動基礎，比如字符設備驅動、平台驅動等也不進行詳細說明原理。如果有任何錯誤地方，請指出，謝謝！

聲明：圖和個別段落（我做了小的修改）是直接從網上截取

整體概述

　　linux下的串口或者usb轉串口驅動都是依賴linux內核提供的tty核心、tty線路規划和tty驅動，所以牽涉到很多層次，之所以有這么多層次，肯定是有它們存在意義的。

　　舉例來說，像串口或者usb轉串口的驅動，最終可以確定的是以字符設備驅動提供給上層使用，於是tty核心層就對這部分通用的實現進行了封裝，但這不是最重要的，最重要的是tty核心層里同時實現了一種數據格式化機制，這就是tty線路規划，這樣的好處是可以分別針對不同類設備的線路規划，比如針對終端io的，比如針對網絡的ppp還有slip還有藍牙還有IrDA等，這些的實現不需要考慮底層硬件，也就是說這些串口到具體協議的轉換的實現與硬件相分離了，這就是tty核心及tty線路規划存在的目地。

　　那為什么會有tty驅動層呢？　也許你覺得我們的串口驅動可以直接通過tty核心提供的功能就可以實現了。 這個確實是可以，但是linux內核因為要兼容世界上存在的各種串口設備，所以針對串口額外實現了一個serial核心層，針對usb轉串口額外實現了usb-serial核心層，它們就是所謂的tty驅動層。我們的串口或者usb轉串口實現就是與tty驅動層打交道，當然串口芯片或者usb轉串口芯片有很多種，所以不同的芯片都要有對應的驅動，但是它們都是基於tty驅動層實現，這個是可以肯定的。
　　所以，我們要寫串口驅動，最好還是對這些層次有些了解。

整體框架圖如下：

 

這圖是直接摘抄網上的。其實，我認為在tty驅動層下是8250串口控制器芯片，那么應該有個8250的驅動，然后才是硬件。
更准確的圖我認為如下圖所示：

更詳細的如下圖所示：

下面摘抄網上的，主要簡單介紹了上圖，寫的比較簡明、清晰

1. tty線程規程
   以特殊的方式格式化從一個用戶或者硬件收到的數據，這種格式化常常采用一個協議轉換的形式，如虛擬終端、PPP、Bluetooth、Ir等。
2. tty設備發送數據流程
   tty核心從一個用戶獲取將要發送給一個tty設備的數據，tty核心將數據傳遞給tty線路規程驅動，接着數據被傳遞到tty驅動，tty驅動將數據轉換為可以發送的硬件格式。
3. tty設備接收數據流程
   從tty硬件接收到的數據向上交給tty驅動，進入tty線路規程驅動，再進入tty核心，在此被用戶獲取。盡管tty核心與tty之間的數據傳輸會經歷tty線路規程的轉換，但是tty驅動與tty核心之間也可以直接傳輸數據。

再摘抄2張網上的圖：

tty設備的數據流通圖：

tty框架分析

tty在linux下屬於字符設備驅動，tty層提供了一些數據結構和函數接口方便其他驅動注冊上來，其中包括虛擬終端、串口終端、偽終端等。Tty核心部分在tty_io.c里面實現。

第一步、內核默認的tty初始化部分

static int __init tty_class_init(void)  2 {  3        tty_class = class_create(THIS_MODULE, "tty");  4        if (IS_ERR(tty_class))  5               return PTR_ERR(tty_class);  6        tty_class->devnode = tty_devnode;  7        return 0;  8 }  9 postcore_initcall(tty_class_init); 10 上面代碼創建了tty類，方便以后創建設備節點，然后是tty_init，tty_init函數負責初始化tty層，它是由chr_dev_init調用的(fs_initcall(chr_dev_init))，也就是說它屬於字符設備一部分。 11 
int __init tty_init(void) 13 { 14        cdev_init(&tty_cdev, &tty_fops); 15        if (cdev_add(&tty_cdev, MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 0), 1) ||
           register_chrdev_region(MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 0), 1, "/dev/tty") < 0) 17               panic("Couldn't register /dev/tty driver\n"); 18        device_create(tty_class, NULL, MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 0), NULL, 19                            "tty"); 20  
       cdev_init(&console_cdev, &console_fops); 22        if (cdev_add(&console_cdev, MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 1), 1) ||
           register_chrdev_region(MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 1), 1, "/dev/console") < 0) 24               panic("Couldn't register /dev/console driver\n"); 25        device_create(tty_class, NULL, MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 1), NULL, 26                            "console"); 27  
#ifdef CONFIG_VT 29        vty_init(&console_fops); 30 #endif
       return 0; 32 }

 

注：個人認為上面的if判斷寫法不是很好，雖然是正確的
這里和我們最終關心的串口驅動沒關系，但由此可以看出tty字符設備（/dev/tty）使用的主設備號是TTYAUX_MAJOR（5），次設備號為0，/dev/console使用的主設備號也是5，但次設備號為1，控制台的初始化console_init在這個函數之前會被調用（start_kernel），內核注釋如下：

* * HACK ALERT! This is early. We're enabling the console before * we've done PCI setups etc, and console_init() must be aware of * this. But we do want output early, in case something goes wrong. */ console_init();

這里不跟進去分析了。
虛擬終端、控制台部分暫時忽略不管。

第二步：使用tty層提供的功能（我們只關心串口驅動，所以是serial核心層或者usb-serial核心層使用它們），主要包含

1）tty_register_driver注冊tty驅動
相關數據結構：struct tty_driver *driver 可以通過alloc_tty_driver分配，它主要任務是

創建一個字符設備，但是這個字符設備的操作集是tty層定義的tty_fops，之所以由tty層提供，是因為它要實現線路規划部分，數據流會由它轉向線路規划部分中。

static const struct file_operations tty_fops = {  2        .llseek           = no_llseek,  3        .read             = tty_read,  4        .write            = tty_write,  5        .poll              = tty_poll,  6        .unlocked_ioctl    = tty_ioctl,  7        .compat_ioctl      = tty_compat_ioctl,  8        .open            = tty_open,  9        .release = tty_release, 10        .fasync          = tty_fasync, 11 };

這其實是起到一個橋接作用。后面再分析這點

1. 將該驅動對象加入到全局的鏈表。這一步就是為了上面說的橋接。

2）tty_register_device注冊tty設備，只需要指定對應的驅動對象和索引號即可。它創建一個字符設備到/dev下 設備號由驅動對應的設備號base+索引。

情景分析

　　下面以幾個情景分析（這里只分析tty框架的處理，還沒有和具體的驅動掛鈎）：

情景1：打開設備

在應用層open上文第二步中tty_register_device創建的設備，會經過vfs 最終到tty_init中注冊的tty_fops操作集里的open，也就是tty_open。它會根據你打開的是/dev/tty 還是 /dev/console 或者是你自己定義的一個設備（比如串口設備）（這個是由你tty_register_driver注冊是參數struct tty_driver *driver里面的major決定的）

這里假設打開的是自己定義的設備/dev/ttyS0，那么會通過
driver = get_tty_driver(device, &index);獲取，它其實是掃描全局鏈表，這個鏈表的建立是在第二步中第2小步說明部分完成的。

如果是第一次打開，那么會創建一個新的對象用來代表這個open及以后操作的上下文，即tty_struct，通過alloc_tty_struct分配的，它里面有相應的線路規划策略tty_ldisc_init，默認初始化為tty_ldisc_get(N_TTY)。 然后調用線路規划的open。tty_struct對象同時繼承了driver的操作集tty_fops，它內部同時會分配並初始化ktermios對象tty_init_termios(tty)及在driver上登記driver->ttys[idx] = tty; 最后會調用驅動本身注冊的open。
tty_struct對象會放到file的private_data，為以后操作做好准備。

情景2：從設備讀數據

在應用層read上文第二步中tty_register_device創建的設備，會經過vfs 最終到tty_init中注冊的tty_fops操作集里的read
也就是tty_read

tty設備沒有read函數，是因為大部分tty的輸入設備和輸出設備不一樣。例如我們的虛擬終端設備，它的輸入是鍵盤，輸出是顯示器。
由於這樣的原因，tty的驅動層和tty的線路規程層都有一個緩沖區。
tty驅動層的緩沖區用來保存硬件發過來的數據。在驅動程序里使用 tty_insert_flip_string函數可以實現將硬件的數據存入到驅動層的緩沖區。
其實一個緩沖區就夠了，為什么線路規程層還是有一個緩沖區呢？
那是因為tty核心無法直接讀取驅動層的緩沖區的數據。tty核心讀不到數據，用戶也就無法獲取數據。用戶的read函數只能從tty核心讀取數據。而tty核心只能從tty線路規程層的緩沖區讀取數據。
因為是層層讀寫的關系，所以tty線路規程也是需要一個緩沖區的。
在驅動程序里使用tty_flip_buffer_push()函數將tty驅動層緩沖區的數據推到tty線路規程層的緩沖區。這樣就完成了數據的流通。
因為全是緩沖區操作，所以需要兩個進程：寫數據進程和讀數據進程。
如果緩沖區內沒有數據，運行讀進程的話，tty核心就會把讀進程加入到等待隊列。

tty_read的主要流程：
從上文分析的open函數所存儲的private里面取出分配並初始化過的tty_struct對象tty = (struct tty_struct *)file->private_data;，然后它會調用屬於tty的線路規划里面的read，線路規划是通過tty_register_ldisc注冊到一個全局數組里的，對應默認的線性規划是文件tty_ldisc.c里面tty_ldisc_begin完成的，它是在console_init里被調用的，也就是內核調用tty_init之前。

void tty_ldisc_begin(void)  2 {  3        /* Setup the default TTY line discipline. */
       (void) tty_register_ldisc(N_TTY, &tty_ldisc_N_TTY);  5 }  6  
struct tty_ldisc_ops tty_ldisc_N_TTY = {  8        .magic           = TTY_LDISC_MAGIC,  9        .name            = "n_tty", 10        .open            = n_tty_open, 11        .close           = n_tty_close, 12        .flush_buffer    = n_tty_flush_buffer, 13        .chars_in_buffer = n_tty_chars_in_buffer, 14        .read            = n_tty_read, 15        .write           = n_tty_write, 16        .ioctl           = n_tty_ioctl, 17        .set_termios     = n_tty_set_termios, 18        .poll            = n_tty_poll, 19        .receive_buf     = n_tty_receive_buf, 20        .write_wakeup    = n_tty_write_wakeup 21 };

 

因此最終調用n_tty_read，它會根據是否有數據做不同的處理，如果有數據，則直接處理后返回，如果沒有數據，那么就在等待隊列上睡眠等待。

情景2：從設備寫數據

在應用層write上文第二步中tty_register_device創建的設備，會經過vfs 最終到tty_init中注冊的tty_fops操作集里的write
也就是tty_write。Write調用要簡單很多，它調用do_tty_write，
它內部實際調用的是線路規划的n_tty_write，它當然會調用tty_struct 的write，也就是繼承自tty驅動的write
c = tty->ops->write(tty, b, nr); 由驅動完成最終的操作硬件發送數據。

注意：這里描述的讀、寫是以終端io為例，如果是藍牙、或者ppp這些網絡io，read、write會通過網絡協議棧，而不是這里的tty_read tty_write。

第二步、具體驅動部分分析
1、 serial核心層（tty驅動層實現）分析

2、 串口驅動分析（8250為例）

1、 usb-serial核心層（tty驅動層實現）分析

2、 usb轉串口驅動分析（pl2303為例）

另外再上張圖

------------------未完，待續！

 2014年5月

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    畢業那兩年在做嵌入式應用開發，主要是單片機和arm linux上的應用開發，后來又做了兩年arm linux驅動開發，15年到現在在做pc端及嵌入式端開發，包括服務器系統裁剪、底層框架實現、硬件加速等。喜歡技術分享、交流！聯系方式: [e-mail]、[e-mail]