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Linux串口驱动分析及移植

發布時間：2024/8/1 linux 25 豆豆

生活随笔收集整理的這篇文章主要介紹了 Linux串口驱动分析及移植小編覺得挺不錯的,現在分享給大家,幫大家做個參考.

1 概述

????在Linux中，常碰到“控制臺”、“終端”、“console”、“tty”等術語，也會經常使用一些設備文件：/dev/console、/dev/ttyS0、/dev/ttyUSB0等。tty是Teletype的縮寫，Teletype是最早出現的一種終端設備，Linux通常使用tty來表示“終端”，終端設備的種類有很多，比如串行終端、鍵盤和顯示器、通過網絡實現的終端等。
????UART與USART都是單片機上的串口通信， UART（universal asynchronous receiver and transmitter）通用異步收/發器，USART（universal synchronous asynchronous receiver and transmitter）通用同步/異步收/發器。從名字上可以看出，USART在UART基礎上增加了同步功能，即USART是UART的增強型。當我們使用USART在異步通信的時候，它與UART沒有什么區別，但是用在同步通信的時候，區別就很明顯了：同步通信需要時鐘來觸發數據傳輸，也就是說USART相對UART的區別之一就是能提供主動時鐘。
????串口屬于終端設備，它的驅動程序并不僅僅是簡單的初始化硬件、接收/發送數據，在基本硬件操作的基礎上，還增加了很多軟件功能，是一個多層次的驅動程序。

2 串口驅動程序層次結構

????串口驅動程序層次結構如圖2.1所示。簡單來說，串口驅動程序層次結構可以分為兩層，下層為串口驅動層，它直接與硬件相接觸，需要填充一個 struct uart_ops 的結構體。上層為tty層，包括tty核心層及線路規程，它們各自都有一個 ops 結構體，用戶空間可以通過tty注冊的字符設備節點來訪問串口設備。如圖2.1所示，涉及到了4個 ops 結構體，層層進行跳轉。
????下面以Microchip SAMA5D4處理器的UART控制器來進行代碼分析。

2.1 串口驅動注冊-uart_register_driver

????路徑： \linux-at91\drivers\tty\serial\atmel_serial.c。對于Atmel平臺，是這樣來注冊串口驅動的，首先分配一個struct uart_driver 簡單填充，并調用uart_register_driver 注冊到內核中去。

struct uart_driver 中，只是填充了一些名字、設備號等信息，這些都是不涉及底層硬件訪問的。

下面看一下完整的 uart_driver 結構。

????在struct uart_driver atmel_uart結構體中，有兩個成員未被賦值，分別是tty_driver和uart_state。對于tty_driver，代表的是上層，它會在 uart_ register_driver 的過程中賦值。而uart_state ，則代表下層，uart_state也會在uart_ register_driver 的過程中分配空間，但是它里面真正設置硬件相關的東西是 uart_state->uart_port ，這個uart_port 是需要從其它地方調用 uart_add_one_port 來添加的。

? 下層（串口驅動層）

首先，認識幾個結構體。
1）結構體：uart_state。
路徑：\linux-at91\linux-at91\linux-at91\include\linux\serial_core.h

/** This is the state information which is persistent across opens.* 打開時下的狀態信息*/ struct uart_state {struct tty_port port;enum uart_pm_state pm_state;struct circ_buf xmit;atomic_t refcount;wait_queue_head_t remove_wait;struct uart_port *uart_port; // 對應于一個串口設備 };

????在注冊 driver 時，會根據 uart_driver->nr 來申請 nr 個 uart_state 空間，用來存放驅動所支持的串口（端口）物理信息。

2）結構體：uart_port
????
路徑：\linux-at91\linux-at91\linux-at91\include\linux\serial_core.h

struct uart_port {spinlock_t lock; /* port lock */unsigned long iobase; /* in/out[bwl] io端口基地址（物理） */unsigned char __iomem *membase; /* read/write[bwl] */unsigned int (*serial_in)(struct uart_port *, int);void (*serial_out)(struct uart_port *, int, int);void (*set_termios)(struct uart_port *,struct ktermios *new,struct ktermios *old);unsigned int (*get_mctrl)(struct uart_port *);void (*set_mctrl)(struct uart_port *, unsigned int);int (*startup)(struct uart_port *port);void (*shutdown)(struct uart_port *port);void (*throttle)(struct uart_port *port);void (*unthrottle)(struct uart_port *port);int (*handle_irq)(struct uart_port *);void (*pm)(struct uart_port *, unsigned int state,unsigned int old);void (*handle_break)(struct uart_port *);int (*rs485_config)(struct uart_port *,struct serial_rs485 *rs485);unsigned int irq; /* irq number */unsigned long irqflags; /* irq flags */unsigned int uartclk; /* base uart clock */unsigned int fifosize; /* tx fifo size */unsigned char x_char; /* xon/xoff char */unsigned char regshift; /* reg offset shift */unsigned char iotype; /* io access style */unsigned char unused1;#define UPIO_PORT (SERIAL_IO_PORT) /* 8b I/O port access */ #define UPIO_HUB6 (SERIAL_IO_HUB6) /* Hub6 ISA card */ #define UPIO_MEM (SERIAL_IO_MEM) /* driver-specific */ #define UPIO_MEM32 (SERIAL_IO_MEM32) /* 32b little endian */ #define UPIO_AU (SERIAL_IO_AU) /* Au1x00 and RT288x type IO */ #define UPIO_TSI (SERIAL_IO_TSI) /* Tsi108/109 type IO */ #define UPIO_MEM32BE (SERIAL_IO_MEM32BE) /* 32b big endian */ #define UPIO_MEM16 (SERIAL_IO_MEM16) /* 16b little endian */unsigned int read_status_mask; /* driver specific */unsigned int ignore_status_mask; /* driver specific */struct uart_state *state; /* pointer to parent state */struct uart_icount icount; /* statistics */struct console *cons; /* struct console, if any */ #if defined(CONFIG_SERIAL_CORE_CONSOLE) || defined(SUPPORT_SYSRQ)unsigned long sysrq; /* sysrq timeout */ #endif。。。。。。int hw_stopped; /* sw-assisted CTS flow state */unsigned int mctrl; /* current modem ctrl settings */unsigned int timeout; /* character-based timeout */unsigned int type; /* port type */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 */unsigned char hub6; /* this should be in the 8250 driver */unsigned char suspended;unsigned char irq_wake;unsigned char unused[2];struct attribute_group *attr_group; /* port specific attributes */const struct attribute_group **tty_groups; /* all attributes (serial core use only) */struct serial_rs485 rs485;void *private_data; /* generic platform data pointer */ };

????struct uart_port，這個結構體對應于一個串口設備，如果平臺有3個串口那么就需要填充3個uart_port ，并且通過 uart_add_one_port 添加到 uart_driver->uart_state->uart_port 中去。當然 uart_driver 有多個 uart_state ，每個 uart_state 有一個 uart_port。在 uart_port 里還有一個非常重要的成員 struct uart_ops *ops ，一般芯片廠家都寫好了，只需要稍作修改。
????下面是struct uart_ops 結構體。

? 上層（tty核心層）
????tty 核心層要從 uart_register_ driver 來看起，因為 tty_driver 是在注冊過程中構建的，順便了解注冊過程。

/*** uart_register_driver - register a driver with the uart core layer* @drv: low level driver structure** Register a uart driver with the core driver. We in turn register* with the tty layer, and initialise the core driver per-port state.** We have a proc file in /proc/tty/driver which is named after the* normal driver.** drv->port should be NULL, and the per-port structures should be* registered using uart_add_one_port after this call has succeeded.*/ int uart_register_driver(struct uart_driver *drv) {struct tty_driver *normal;int i, retval;BUG_ON(drv->state);/** Maybe we should be using a slab cache for this, especially if* we have a large number of ports to handle.*/ /* 根據driver支持的最大設備數，申請n個 uart_state 空間，每一個 uart_state 都有一個uart_port */drv->state = kzalloc(sizeof(struct uart_state) * drv->nr, GFP_KERNEL);if (!drv->state)goto out; /* tty層：分配一個 tty_driver ，并將drv->tty_driver 指向它 */normal = alloc_tty_driver(drv->nr);if (!normal)goto out_kfree;drv->tty_driver = normal; /* 對 tty_driver 進行設置 */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;tty_port_init(port);port->ops = &uart_port_ops;//port->close_delay = HZ / 2; /* .5 seconds *///port->closing_wait = 30 * HZ;/* 30 seconds */}/* tty層：注冊 driver->tty_driver */retval = tty_register_driver(normal);if (retval >= 0)return retval;for (i = 0; i < drv->nr; i++)tty_port_destroy(&drv->state[i].port);put_tty_driver(normal); out_kfree:kfree(drv->state); out:return -ENOMEM; }

uart_register_ driver 注冊過程干了哪些事：
???? 1）根據driver支持的最大設備數，申請n個 uart_state 空間，每一個 uart_state 都有一個 uart_port ；
???? 2）分配一個 tty_driver ，并將drv->tty_driver 指向它；
???? 3）對 tty_driver 進行設置，其中包括默認波特率、校驗方式等，還有一個重要的ops ，uart_ops ，它是tty核心與串口驅動通信的接口；
???? 4）初始化每一個 uart_state ；
???? 5）注冊 tty_driver 。

????注冊 uart_driver 實際上是注冊 tty_driver，因此與用戶空間打交道的工作完全交給了 tty_driver ，而且這一部分都是內核實現好的，基本不需要修改，了解一下工作原理即可。

這里介紹下uart_ops結構體。

static const struct tty_operations uart_ops = {.open = uart_open,.close = uart_close,.write = uart_write,.put_char = uart_put_char,.flush_chars = uart_flush_chars,.write_room = uart_write_room,.chars_in_buffer= uart_chars_in_buffer,.flush_buffer = uart_flush_buffer,.ioctl = uart_ioctl,.throttle = uart_throttle,.unthrottle = uart_unthrottle,.send_xchar = uart_send_xchar,.set_termios = uart_set_termios,.set_ldisc = uart_set_ldisc,.stop = uart_stop,.start = uart_start,.hangup = uart_hangup,.break_ctl = uart_break_ctl,.wait_until_sent= uart_wait_until_sent, #ifdef CONFIG_PROC_FS.proc_fops = &uart_proc_fops, #endif.tiocmget = uart_tiocmget,.tiocmset = uart_tiocmset,.get_icount = uart_get_icount, #ifdef CONFIG_CONSOLE_POLL.poll_init = uart_poll_init,.poll_get_char = uart_poll_get_char,.poll_put_char = uart_poll_put_char, #endif };

這個是 tty 核心層的 ops ，簡單一看，后面分析調用關系時，我們再來看具體的里邊的函數。
下面來看 tty_driver 的注冊，tty_register_driver。

/** Called by a tty driver to register itself.*/ int tty_register_driver(struct tty_driver *driver) {int error;int i;dev_t dev;struct device *d;/* 如果沒有主設備號則申請 */if (!driver->major) {error = alloc_chrdev_region(&dev, driver->minor_start,driver->num, driver->name);if (!error) {driver->major = MAJOR(dev);driver->minor_start = MINOR(dev);}} else {dev = MKDEV(driver->major, driver->minor_start);error = register_chrdev_region(dev, driver->num, driver->name);}if (error < 0)goto err;/* 創建字符設備，使用 tty_fops */if (driver->flags & TTY_DRIVER_DYNAMIC_ALLOC) {error = tty_cdev_add(driver, dev, 0, driver->num);if (error)goto err_unreg_char;}mutex_lock(&tty_mutex);/* 將該 driver->tty_drivers 添加到全局鏈表 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++) {d = tty_register_device(driver, i, NULL);if (IS_ERR(d)) {error = PTR_ERR(d);goto err_unreg_devs;}}}/* proc 文件系統注冊driver */proc_tty_register_driver(driver);driver->flags |= TTY_DRIVER_INSTALLED;return 0;err_unreg_devs:for (i--; i >= 0; i--)tty_unregister_device(driver, i);mutex_lock(&tty_mutex);list_del(&driver->tty_drivers);mutex_unlock(&tty_mutex);err_unreg_char:unregister_chrdev_region(dev, driver->num); err:return error; }

tty_register_driver注冊過程干了哪些事：
1）為線路規程和termios分配空間，并使 tty_driver 相應的成員指向它們；
2）注冊字符設備，名字是 uart_driver->name 我們這里是“ttyS”，文件操作函數集是 tty_fops。可查看tty_cdev_add 函數的定義；
3）將該 uart_driver->tty_drivers 添加到全局鏈表 tty_drivers ；
4）向 proc 文件系統添加 driver ，這個暫時不了解。

下面是結構體 tty_fops。

????至此，文章起初的結構圖中的4個ops已經出現了3個，另一個關于線路規程的在哪？下面來看一下調用關系。

? 調用關系
????tty_driver注冊了一個字符設備（/dev/ttyS0），從它的 tty_fops 入手，可以得知用戶空間是如何訪問到最底層的硬件操作函數。以 open、read、write 為例，用戶空間 open 時將調用到 uart_port.ops.startup ,在用戶空間 write 則調用 uart_port.ops.start_tx。這些內核都已經實現好，在驅動開發過程中幾乎不涉及這些代碼的修改移植工作。圖2.2為串口讀寫函數調用關系。

2.2 平臺驅動注冊-platform _driver_register

????目前Linux2.6版本以后的ARM 結構使用設備樹（DTS，Device Tree Source）來分管設備，DeviceTree是一種描述硬件的數據結構，為什么要引入DTS？這是因為在Linux2.6中，ARM架構的板極硬件細節過多地被硬編碼在arch/arm/plat-xxx和arch/arm/mach-xxx，比如板上的platform設備、resource、i2c_board_info、spi_board_info以及各種硬件的platform_data，這些板級細節代碼對內核來講只不過是垃圾代碼。而采用DeviceTree后，許多硬件的細節可以直接透過它傳遞給Linux，而不再需要在kernel中進行大量的冗余編碼。
????platform_driver的入口函數，仍采用platform_driver_register注冊。platform_driver_register用來枚舉名稱為 “atmel_usart” 的平臺設備，只要內核中有相同名稱的平臺設備，platform_driver_register函數就會調用atmel_serial_driver 中的atmel_serial_probe函數來枚舉它。

????函數：platform_driver_register

結構體：atmel_serial_driver

????看結構體參數 atmel_serial_driver 的定義，該結構體一個很重要的成員是 .of_match_table = of_match_ptr(atmel_serial_dt_ids)， of_match_ptr函數用于將atmel_serial_dt_ids 中.compatible 屬性與.dts 文件中描述的設備節點.compatible 屬性進行匹配，且不區分大小寫，當完成配對之后，就調用atmel_serial_probe函數完成驅動注冊的最后工作。

????結構體：atmel_serial_dt_ids

? 設備樹
????Dtsi和dts同為設備樹文件，dtsi為被包含文件，可被dts或者dtsi文件包含。
????設備樹文件sama5d4.dtsi中對串口設備節點的描述。路徑：\linux-at91\arch\arm\boot\dts\sama5d4.dtsi。
????sama5d4.dtsi中描述了7個串口設備節點，2個uart，5個usart。
（別名）

（節點描述）描述了節點的一些屬性。

（引腳定義）

設備樹文件at91-sama5d4_xplained.dts中對串口設備節點的描述。路徑：\linux-at91\arch\arm\boot\dts\at91-sama5d4_xplained.dts。

3 串口移植

3.1 查看板卡的串口引腳

??閱讀A5處理器資料，查看UART章節和USART章節對串口的相關描述，根據硬件原理圖確定串口的引腳定義。

3.2 修改情況

1）設備樹文件，到sama5d4.dtsi 文件下去搜索 USART ，對應找到相應的串口節點以及串口的引腳定義部分。sama5d4.dtsi 文件不需要進行修改。
? 節點描述

? 引腳定義

2）設備樹文件，查看 at91-sama5d4_xplained.dts 文件中的串口USART，在此文件下對節點進行相應參數修改。
—原來的串口節點信息如下：原始狀態使能了uart0但我們沒有接其引腳使用，使能了usart3的收發功能，使能了usart4但不具備收發功能，沒有使能usart2。

—修改后的串口節點信息如下：

3）驅動文件，在\linux-at91\drivers\tty\serial\atmel_serial.c文件中，查找static int __init atmel_serial_init(void)函數，找到uart_register_driver（）函數，轉到該函數定義，函數定義在 serial_core.c 文件中，文件中修改波特率，。原始波特率9600 ，可按自己的需求修改波特率，我們這里將其改為115200。

????到此，串口驅動移植完成，重新編譯驅動文件，包括設備樹文件和驅動文件，燒錄至開發板，測試串口是否可以正常使用。

4 串口收發功能測試

????將編譯成功的內核鏡像和設備樹文件編譯到開發板中，然后使用超級終端接開發板查看打印的日志。
????串口收發功能測試步驟如下：

????1）查看tty設備。

????（1）編譯運行內核，如果UART驅動加載成功會在/dev目錄下產生相應UART設備節點；名稱為：ttySx。這里會產生 ttyS0, ttyS1, ttyS2, ttyS5（沒有使用）。
ttyS0對應USART3，為DEGB口；
ttyS1對應 USART4；
ttyS2對應 USART2；
ttyS5 對應UART0；

????（2）運行命令： $ cat /proc/tty/driver/atmel_serial ，可以查看顯示設備節點詳細信息，其中通過地址可以對照設備節點；
root@sama5d4-xplained:/proc/tty/driver# cat atmel_serial
serinfo:1.0 driver revision:
0: uart:ATMEL_SERIAL mmio:0xFC00C000 irq:34 tx:2176533 rx:2142522 RTS|CTS|DTR|DSR|CD|RI
1: uart:ATMEL_SERIAL mmio:0xFC010000 irq:35 tx:1253 rx:68 brk:68 CTS|DSR|CD|RI
2: uart:ATMEL_SERIAL mmio:0xFC008000 irq:33 tx:6 rx:0 DSR|CD|RI
如果UART設備節點未產生，可在其相應驅動程序xx_probe函數中添加打印，查看xx_probe函數是否被調用，進一步查找原因。

????2）通過跳冒選擇串口。
下圖中，兩個黑色串口共用一個芯片。左邊USART3和USART4共用一個串口，通過跳冒來區分，右邊USART2單獨使用一個串口。

跳線冒J3用于設置選擇DEBG- USART3和串口4，電路圖如下圖4.2。

具體的跳線設置如下表4.1和表4.2所示。
表4.1 DEGU模式跳線狀態

3）如果成功產生了UART設備節點，下面進行串口收發測試；
方法1：
可通過軟件回環測試確認UART驅動程序功能是否正常。編寫測試程序，將串口2、3引腳短接。讀寫數據。如果管腳信號測試通過，則串口功能基本調試成功。此方法的優點是無需上位機串口助手的配合，在串口模塊到位之前提前完成接口調試工作。

方法2：
Echo 命令回顯測試；
在超級終端下進入 /dev 目錄下，以測試USART2為例，輸入命令： echo test > ttyS2.在串口助手中查看收到的信息，這一步測試串口的發。在超級終端下輸入命令： cat ttyS2, 在串口助手中發送clear，在超級終端下查看收到信息，這一步查看串口的收。由于USART2不是調試口，無法打印系統信息，需要使用SSH連接開發板。具體的測試如下圖所示。

方法3：使用系統集成的串口調試工具 busybox microcom
1） busybox microcom工具的使用；
命令(busybox microcom)使用方法很簡單：
Usage: microcom [-d DELAY] [-t TIMEOUT] [-s SPEED] [-X] TTY
參數如下：
-d 表示延時時間，一般我都不設置。
-t 表示超時時間，超多少時間就自動退出。單位為ms
-s 表示傳輸速度，波特率的意思，這個根據自己的情況而定。
-X 不加
最后指定你的串口設備。如 /dev/ttyO0 , 這是TI的串口設備節點
2）測試方式如下：
? 將要測試串口與pc端連接，在pc端開啟串口調試工具，波特率設定跟等下microcom設定一樣。
? 在產品端運行如下命令：
microcom -s 115200 /dev/ttyS2
? 在超級終端命令行輸出信息，在PC是否有正確顯示。反之也測試一下。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Linux串口驱动分析及移植的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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