linux驱动基础系列--Linux 串口、usb转串口驱动分析

前言

　　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。如果有任何错误地方，请指出，谢谢！

声明：图和个别段落（我做了小的修改）是直接从网上截取

整体概述

　　linux下的串口或者usb转串口驱动都是依赖linux内核提供的tty核心、tty线路规划和tty驱动，所以牵涉到很多层次，之所以有这么多层次，肯定是有它们存在意义的。

　　举例来说，像串口或者usb转串口的驱动，最终可以确定的是以字符设备驱动提供给上层使用，于是tty核心层就对这部分通用的实现进行了封装，但这不是最重要的，最重要的是tty核心层里同时实现了一种数据格式化机制，这就是tty线路规划，这样的好处是可以分别针对不同类设备的线路规划，比如针对终端io的，比如针对网络的ppp还有slip还有蓝牙还有IrDA等，这些的实现不需要考虑底层硬件，也就是说这些串口到具体协议的转换的实现与硬件相分离了，这就是tty核心及tty线路规划存在的目地。

　　那为什么会有tty驱动层呢？　也许你觉得我们的串口驱动可以直接通过tty核心提供的功能就可以实现了。 这个确实是可以，但是linux内核因为要兼容世界上存在的各种串口设备，所以针对串口额外实现了一个serial核心层，针对usb转串口额外实现了usb-serial核心层，它们就是所谓的tty驱动层。我们的串口或者usb转串口实现就是与tty驱动层打交道，当然串口芯片或者usb转串口芯片有很多种，所以不同的芯片都要有对应的驱动，但是它们都是基于tty驱动层实现，这个是可以肯定的。
　　所以，我们要写串口驱动，最好还是对这些层次有些了解。

整体框架图如下：

这图是直接摘抄网上的。其实，我认为在tty驱动层下是8250串口控制器芯片，那么应该有个8250的驱动，然后才是硬件。
更准确的图我认为如下图所示：

更详细的如下图所示：

下面摘抄网上的，主要简单介绍了上图，写的比较简明、清晰

1. tty线程规程
   以特殊的方式格式化从一个用户或者硬件收到的数据，这种格式化常常采用一个协议转换的形式，如虚拟终端、PPP、Bluetooth、Ir等。
2. tty设备发送数据流程
   tty核心从一个用户获取将要发送给一个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的硬件格式。
3. tty设备接收数据流程
   从tty硬件接收到的数据向上交给tty驱动，进入tty线路规程驱动，再进入tty核心，在此被用户获取。尽管tty核心与tty之间的数据传输会经历tty线路规程的转换，但是tty驱动与tty核心之间也可以直接传输数据。

再摘抄2张网上的图：

tty设备的数据流通图：

tty框架分析

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里面实现。

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），主要包含

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，它主要任务是

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。

情景分析

　　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文件tty_ldisc.c里面tty_ldisc_begin完成的，它是在console_init里被调用的，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）

另外再上张图

------------------未完，待续！

       2014年5月