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Linux 串口、usb转串口驱动分析2

内核版本：2.6.35.6                                                                        荣鹏140319

 

声明：图和个别段落（我做了小的修改）是直接从网上截取

 

目标：主要是想对Linux 串口、usb转串口驱动框架有一个整体的把控，因此会忽略某些细节，同时里面涉及到的一些驱动基础，比如字符设备驱动、平台驱动等也不进行详细说明原理。

二、具体细节分析

先分析tty框架

tty在linux下属于字符设备驱动  tty层提供了一些数据结构和函数接口方便其他驱动注册上来，其中包括虚拟终端、串口终端、伪终端等

 

Tty核心部分在tty_io.c里面

 

第一步、内核默认的tty初始化部分

static int __init tty_class_init(void)

{

       tty_class = class_create(THIS_MODULE, "tty");

       if (IS_ERR(tty_class))

              return PTR_ERR(tty_class);

       tty_class->devnode = tty_devnode;

       return 0;

}

postcore_initcall(tty_class_init);

上面代码创建了tty类，方便以后创建设备节点

 

然后是tty_init

tty_init函数负责初始化tty层，它是由chr_dev_init调用的(fs_initcall(chr_dev_init))

也就是说它属于字符设备一部分。

int __init tty_init(void)

{

       cdev_init(&tty_cdev, &tty_fops);

       if (cdev_add(&tty_cdev, MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 0), 1) ||

           register_chrdev_region(MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 0), 1, "/dev/tty") < 0)

              panic("Couldn't register /dev/tty driver\n");

       device_create(tty_class, NULL, MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 0), NULL,

                           "tty");

 

       cdev_init(&console_cdev, &console_fops);

       if (cdev_add(&console_cdev, MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 1), 1) ||

           register_chrdev_region(MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 1), 1, "/dev/console") < 0)

              panic("Couldn't register /dev/console driver\n");

       device_create(tty_class, NULL, MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 1), NULL,

                           "console");

 

#ifdef CONFIG_VT

       vty_init(&console_fops);

#endif

       return 0;

}

注：个人认为上面的if判断写法不是很好，虽然是正确的

 

这里和我们最终关心的串口驱动没关系，但由此可以看出tty字符设备（/dev/tty）使用的主设备号是TTYAUX_MAJOR（5），次设备号为0，/dev/console使用的主设备号也是5，但次设备号为1，控制台的初始化console_init在这个函数之前会被调用（start_kernel），内核注释如下：

/*

        * 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();

这里不跟进去分析了。

 

虚拟终端、控制台部分暂时忽略不管。

 

 

第二步：使用tty层提供的功能（我们只关心串口驱动，所以是serial核心层或者usb-serial核心层使用它们）

 

1）tty_register_driver 注册tty驱动

相关数据结构： struct tty_driver *driver 可以通过alloc_tty_driver分配

它主要做的事情：

1、创建一个字符设备，但是这个字符设备的操作集是tty层定义的tty_fops，之所以由tty层提供，是因为它要实现线路规划部分，数据流会由它转向线路规划部分中。

static const struct file_operations tty_fops = {

       .llseek           = no_llseek,

       .read             = tty_read,

       .write            = tty_write,

       .poll              = tty_poll,

       .unlocked_ioctl    = tty_ioctl,

       .compat_ioctl      = tty_compat_ioctl,

       .open            = tty_open,

       .release = tty_release,

       .fasync          = tty_fasync,

};

这其实是起到一个桥接作用。后面再分析这点

 

2、将该驱动对象加入到全局的链表  这一步就是为了上面说的 桥接

 

 

 

 

2）tty_register_device注册tty设备，只需要指定对应的驱动对象和索引号即可

它主要做的事情：

创建一个字符设备到/dev下  设备号由驱动对应的设备号base+索引

下面以几个情景分析（这里只分析tty框架的处理，还没有和具体的驱动挂钩）：

情景1：打开设备

在应用层open上文第二步中tty_register_device创建的设备，会经过vfs 最终到tty_init中注册的tty_fops操作集里的open

也就是tty_open

它会根据你打开的是/dev/tty 还是 /dev/console 或者是你自己定义的一个设备（比如串口设备）（这个是由你tty_register_driver注册是参数struct tty_driver *driver里面的major决定的）

 

这里假设打开的是自己定义的设备/dev/ttyS0，那么会通过

driver = get_tty_driver(device, &index);

获取，它其实是扫描全局链表，这个链表的建立是在第二步中第2小步说明部分完成的。

 

如果是第一次打开，那么会创建一个新的对象用来代表这个open及以后操作的上下文，即tty_struct，通过alloc_tty_struct分配的，它里面有相应的线路规划策略tty_ldisc_init，默认初始化为tty_ldisc_get(N_TTY)。 然后调用线路规划的open。tty_struct对象同时继承了driver的操作集tty_fops，它内部同时会分配并初始化ktermios对象tty_init_termios(tty)及在driver上登记driver->ttys[idx] = tty; 最后会调用驱动本身注册的open。

tty_struct对象会放到file的private_data，为以后操作做好准备。

 

情景2：从设备读数据

在应用层read上文第二步中tty_register_device创建的设备，会经过vfs 最终到tty_init中注册的tty_fops操作集里的read

也就是tty_read

 

tty设备没有read函数，是因为大部分tty的输入设备和输出设备不一样。例如我们的虚拟终端设备，它的输入是键盘，输出是显示器。

由于这样的原因，tty的驱动层和tty的线路规程层都有一个缓冲区。

tty驱动层的缓冲区用来保存硬件发过来的数据。在驱动程序里使用  tty_insert_flip_string 函数可以实现将硬件的数据存入到驱动层的缓冲区。

其实一个缓冲区就够了，为什么线路规程层还是有一个缓冲区呢？

那是因为tty核心无法直接读取驱动层的缓冲区的数据。tty核心读不到数据，用户也就无法获取数据。用户的read函数只能从tty核心读取数据。而tty核心只能从tty线路规程层的缓冲区读取数据。

因为是层层读写的关系，所以tty线路规程也是需要一个缓冲区的。

在驱动程序里使用 tty_flip_buffer_push()  函数将tty驱动层缓冲区的数据推到tty线路规程层的缓冲区。这样就完成了数据的流通。

因为全是缓冲区操作，所以需要两个进程：写数据进程和读数据进程。

如果缓冲区内没有数据，运行读进程的话，tty核心就会把读进程加入到等待队列。

 

 

tty_read的主要流程：

从上文分析的open函数所存储的private里面取出分配并初始化过的tty_struct对象

tty = (struct tty_struct *)file->private_data;

然后它会调用属于tty的线路规划里面的read    

线路规划是通过tty_register_ldisc注册到一个全局数组里的

对应默认的线性规划是在文件tty_ldisc.c里面的

tty_ldisc_begin完成的，它是在console_init里调用的，也就是内核调用tty_init之前。

void tty_ldisc_begin(void)

{

       /* Setup the default TTY line discipline. */

       (void) tty_register_ldisc(N_TTY, &tty_ldisc_N_TTY);

}

 

struct tty_ldisc_ops tty_ldisc_N_TTY = {

       .magic           = TTY_LDISC_MAGIC,

       .name            = "n_tty",

       .open            = n_tty_open,

       .close           = n_tty_close,

       .flush_buffer    = n_tty_flush_buffer,

       .chars_in_buffer = n_tty_chars_in_buffer,

       .read            = n_tty_read,

       .write           = n_tty_write,

       .ioctl           = n_tty_ioctl,

       .set_termios     = n_tty_set_termios,

       .poll            = n_tty_poll,

       .receive_buf     = n_tty_receive_buf,

       .write_wakeup    = n_tty_write_wakeup

};

 

因此最终调用n_tty_read

它会根据是否有数据做不同的处理，如果有数据，则直接处理后返回，如果没有数据，那么就在等待队列上睡眠等待。

 

 

情景2：从设备写数据

在应用层write上文第二步中tty_register_device创建的设备，会经过vfs 最终到tty_init中注册的tty_fops操作集里的write

也就是tty_write

 

Write调用要简单很多。

 

它调用do_tty_write

它内部实际调用的是线路规划的n_tty_write，它当然会调用tty_struct 的write，也就是继承自tty驱动的write

c = tty->ops->write(tty, b, nr); 由驱动完成最终的操作硬件发送数据。

 

注意：这里描述的读、写是以终端io为例，如果是蓝牙、或者ppp这些网络io，read、write会通过网络协议栈，而不是这里的tty_read tty_write。

 

 

 

 

 

第二步、具体驱动部分分析

1、  serial核心层（tty驱动层实现）分析

 

 

2、  串口驱动分析（8250为例）

 

 

1、  usb-serial核心层（tty驱动层实现）分析

 

 

2、  usb转串口驱动分析（pl2303为例）