Linux内核TTY驱动架构

基于MX51的TTY驱动架构

2012-12-28 一、任务目标

以uart为实例分析整理TTY驱动架构。

二、层次架构

图1

在linux内核中，串行设备多种多样，内核开发者为了让驱动开发者尽量简单（可复用的东西多），构建了如图1所示的串行设备层次架构。

tty core里是最基本的字符驱动，经过线路规程处理的数据，通过tty core提供的数据交互机制与用户空间通信。？

图1中线路规程表示对上层或下层传过来数据的处理，不同的处理方式对应不同的协议，如红外、ppp拨号等等。

serial core是对tty驱动进行了封装，与硬件无关，给底层uart驱动开发提供API，针对具体硬件的操作全在uart驱动中实现。

因为uart同时涉及到以上三层，所以本文档以uart为例，阐述TTY。

三、数据结构设计

1. 数据结构

uart驱动中定义了2个重要的数据结构，struct uart_driver mxc_reg，和struct uart_mxc_port mxc_port[8]。

a. struct uart_driver mxc_reg

uart_driver是serial_core提供的重要结构体，下面是代码定义的uart_driver 实例，变量的解释见对应注释。具体结构体见数据结构关系图。

b. struct uart_mxr_port mxc_ports[8]

mxc_ports[]数组是自定义的uart_mxc_port数组，数组大小为8，在mx51中只用到前3个。

mxc_ports[]中包含的最重要的结构体是struct uart_port{}，它们之间的关系详见数据结构关系图。

2. 数据结构关系图

四、uart注册及初始化

1. uart注册

uart驱动程序入口：

在mxcuart_init()函数中，我们重点分析uart_register_driver(struct uart_driver *),对于platform_driver_register()，详见平台设备注册文档分析。

下面重点分析uart_register_driver(struct uart_driver *)

在uart_register_driver()中，构建了tty_driver，并将uart_driver中的相关成员赋值给tty_driver，最终调用到tty_register_driver(struct tty_driver *)。

在tty_register_driver(struct tty_driver *)中，最终注册了8个字符设备驱动，其操作函数为tty_fops。

下面分析不同层次间几个operations函数的关系，如图：

在上面前3层中，每一层都给自己的下一层提供了操作函数的接口，tty_core 是一个字符设备驱动，实现了字符设备提供的struct file_operations{}，同时给自己的下层提供了struct tty_operations {}操作接口。

serial_core使用了tty_core提供的struct tty_operations {}操作接口，同时给自己的下层提供了struct uart_ops {}操作接口。

在后面的打开、数据读写过程中我们将会看到具体的层层调用关系。

到这里uart注册告一段落。

2. uart初始化

uart平台设备在/arch/arm/mach-mx5/serial.c中arch_initcall(mxc_init_uart)注册，注册了3个平台设备。

uart平台驱动和uart平台设备通过名字“mxcintuart”匹配，匹配成功调用uart平台驱动中的mxcuart_probe()。

在mxcuart_probe 中主要是将平台资源给mxc_ports中的uart_port ,然后调用uart_add_one_port()，它根据uart_port{}中的line拿到uart_driver{}中对应的

uart_state{}，然后配置好这个port并调用tty_register_device()注册该port。

匹配成功后将调用到mxcuart_probe()。

五、uart打开

在介绍uart打开、读写数据时，首先需要先回顾下不同层次间几个operations函数的关系图，接下来先从总体上分析其大致流程，然后具体分析细节。

下面分5个步骤介绍uart打开的具体细节：

●用户空间

●字符驱动

●tty_core

●serial_core

●uart驱动

1. 用户空间

用户空间通过具体的设备节点拿到主次设备号，通过VFS找到具体的字符驱动设备。这一过程非常复杂，详细VFS文档分析。

2. 字符驱动

字符驱动会调用tty_core向它注册的file_operations中的tty_open()。

在上述流程中tty_init_dev需要重点概述下：

3. tty_core

在执行到tty_open()时，会调用serial_core向它注册的tty_operations中的uart_open()。

4. serial_core

如上图代码，在tty_core中调用到了serial_core向它注册的uart_open()，同时uart_open()中也用到了uart驱动向它注册的uart_ops中的startup()。

上面注册了中断处理函数，这个函数极为重要，数据接收和发送都要用到它。

此中断是接收发送共用的，当收到中断信号时通过判断相应的寄存器位来区分是接收中断还是发送中断。

5. uart驱动

uart驱动做为tty的一个实例，就是按照serial_core提供的注册接口注册，并实现其uart_ops中的回调函数，这些函数大多是与具体硬件操作相关的。

六、uart写数据

uart写数据是由用户空间发起的，同样我们先从总体上了解它的流程，再具体讲其细节。

下面分6个步骤介绍uart打开的具体细节：

●用户空间

●字符驱动

●线路规程

●tty_core

●serial_core

●uart驱动

1. 用户空间

用户空间调用write()，通过打开设备节点返回的文件描述符调到tty_core注册的tty_write()。

2. 字符驱动

字符驱动中的tty_write()会从用户空间拷贝数据，然后调用线路规程的write()函数。

3. 线路规程

线路规程就是对写入或者读到的数据按照指定的协议进行处理。不同的线路规程处理数据的方式不一样，这里我们用到的是N_TTY，后续单独分析N_TTY，这里我们只要知道数据经过了它，它对输入的数据进行了处理。

4. tty_core

线路规程会把处理后的数据给到tty_core层，通过调用serial_core注册的uart_write()。

5. serial_core

在上图中可以看到，最后面调用到了uart驱动向serial_core注册的start_tx(),具体的实现是mxcuart_start_tx()函数，它触发了中断，程序将进入中断处理流程。

6. uart驱动

uart中实现了中断处理函数，这里面会将数据一个一个写入寄存器。

下面通过图示的方法，结合数据结构关系图，说明具体数据的走向。

七、uart读数据

uart读数据流程

1.mxcuart_rx_chars(umxc);

uart_insert_char(&umxc->port, status, MXC_UARTURXD_OVRRUN, ch, flag);

tty_insert_flip_char(tty, ch, flag);