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Linux终端tty设备驱动 |
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| 来源: ChinaUnix博客 日期： 2008.09.18 09:41 (共有条评论) 我要评论 | |
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在Linux系统中，终端设备非常重要，没有终端设备，系统将无法向用户反馈信息，Linux中包含控制台、串口和伪终端3类终端设备。 14.1节阐述了终端设备的概念及分类，14.2节给出了Linux终端设备驱动的框架结构，重点描述tty_driver结构体及其成员。14.3~14.5节在14.2节的基础上，分别给出了Linux终端设备驱动模块加载/卸载函数和open()、close()函数，数据读写流程及tty设备线路设置的编程方法。在Linux中，串口驱动完全遵循tty驱动的框架结构，但是进行了底层操作的再次封装，14.6节描述了Linux针对串口tty驱动的这一封装，14.7节则具体给出了串口tty驱动的实现方法。14.8节基于14.6和14.7节的讲解给出了串口tty驱动的设计实例，即S3C2410集成UART的驱动。 14.1终端设备 在Linux系统中，终端是一种字符型设备，它有多种类型，通常使用tty来简称各种类型的终端设备。tty是Teletype的缩写，Teletype是最早出现的一种终端设备，很像电传打字机，是由Teletype公司生产的。Linux中包含如下几类终端设备： 1、串行端口终端（/dev/ttySn） 串行端口终端（Serial Port Terminal）是使用计算机串行端口连接的终端设备。计算机把每个串行端口都看作是一个字符设备。这些串行端口所对应的设备名称是 /dev/ttyS0（或/dev/tts/0）、/dev/ttyS1（或/dev/tts/1）等，设备号分别是（4,0）、（4,1）等。 在命令行上把标准输出重定向到端口对应的设备文件名上就可以通过该端口发送数据，例如，在命令行提示符下键入： echo test > /dev/ttyS1会把单词“test”发送到连接在ttyS1端口的设备上。 2.伪终端（/dev/pty/） 伪终端（Pseudo Terminal）是成对的逻辑终端设备，并存在成对的设备文件，如/dev/ptyp3和/dev/ttyp3，它们与实际物理设备并不直接相关。如果一个程序把ttyp3看作是一个串行端口设备，则它对该端口的读/写操作会反映在该逻辑终端设备对应的ptyp3上，而ptyp3则是另一个程序用于读写操作的逻辑设备。这样，两个程序就可以通过这种逻辑设备进行互相交流，使用ttyp3的程序会认为自己正在与一个串行端口进行通信。 以telnet 为例，如果某人在使用telnet程序连接到Linux系统，则telnet程序就可能会开始连接到设备ptyp2上，而此时一个getty程序会运行在对应的ttyp2端口上。当telnet从远端获取了一个字符时，该字符就会通过ptyp2、ttyp2传递给 getty程序，而getty程序则会通过ttyp2、ptyp2和telnet程序返回“login:”字符串信息。这样，登录程序与telnet程序 就通过伪终端进行通信。通过使用适当的软件，可以把2个或多个伪终端设备连接到同一个物理串行端口上。 3.控制台终端（/dev/ttyn, /dev/console） 如果当前进程有控制终端（Controlling Terminal）的话，那么/dev/tty就是当前进程的控制终端的设备特殊文件。可以使用命令“ps –ax”来查看进程与哪个控制终端相连使用命令“tty”可以查看它具体对应哪个实际终端设备。/dev/tty有些类似于到实际所使用终端设备的一个联接。 在UNIX系统中，计算机显示器通常被称为控制台终端（Console）。它仿真了类型为Linux的一种终端（TERM=Linux），并且有一些设备特殊文件与之相关联：tty0、tty1、tty2等。当用户在控制台上登录时，使用的是tty1。使用Alt+[F1—F6]组合键时，我们就可以切换到tty2、tty3等上面去。tty1–tty6等称为虚拟终端，而tty0则是当前所使用虚拟终端的一个别名，系统所产生的信息会发送到该终端上。因此不管当前正在使用哪个虚拟终端，系统信息都会发送到控制台终端上。用户可以登录到不同的虚拟终端上去，因而可以让系统同时有几个不同的会话期存在。只有系统或超级用户root可以向/dev/tty0进行写操作。 在Linux 中，可以在系统启动命令行里指定当前的输出终端，格式如下： console=device, options device指代的是终端设备，可以是tty0（前台的虚拟终端）、ttyX（第X个虚拟终端）、ttySX（第X个串口）、lp0（第一个并口）等。options指代对device进行的设置，它取决于具体的设备驱动。对于串口设备，参数用来定义为：波特率、校验位、位数，格式为BBBBPN，其中BBBB表示波特率，P表示校验（n/o/e），N表示位数，默认options是9600n8。 用户可以在内核命令行中同时设定多个终端，这样输出将会在所有的终端上显示，而当用户调用open()打开/dev/console时，最后一个终端将会返回作为当前值。例如： console=ttyS1, 9600 console=tty0 定义了2个终端，而调用open()打开/dev/console时，将使用虚拟终端tty0。但是内核消息会在tty0 VGA虚拟终端和串口ttyS1上同时显示。 通过查看/proc/tty/drivers文件可以获知什么类型的tty设备存在以及什么驱动被加载到内核，这个文件包括一个当前存在的不同 tty 驱动的列表，包括驱动名、缺省的节点名、驱动的主编号、这个驱动使用的次编号范围，以及 tty 驱动的类型。例如，下面给出了一个/proc/tty/drivers文件的例子： 14.2终端设备驱动结构 Linux内核中 tty的层次结构如图14.1所示，包含tty核心、tty线路规程和tty驱动，tty 线路规程的工作是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，例如 PPP 和 Bluetooth。tty设备发送数据的流程为：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给硬件的格式。接收数据的流程为： 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，在这里它被一个用户获取。尽管大多数时候tty核心和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。 图14.1 tty分层结构 图14.2显示了与tty相关的主要源文件及数据的流向。tty_io.c定义了tty 设备通用的file_operations结构体并实现了接口函数tty_register_driver()用于注册tty设备，它会利用 fs/char_dev.c提供的接口函数注册字符设备，与具体设备对应的tty驱动将实现tty_driver结构体中的成员函数。同时 tty_io.c也提供了tty_register_ldisc()接口函数用于注册线路规程，n_tty.c文件则实现了tty_disc结构体中的成员。 图14.2 tty主要源文件关系及数据流向 从图14.2可以看出，特定tty设备驱动的主体工作是填充tty_driver结构体中的成员，实现其中的成员函数，tty_driver结构体的定义如代码清单14.1。 代码清单14.1 tty_driver结构体 1 struct tty_driver 2 { 3 int magic; 4 struct cdev cdev; /* 对应的字符设备cdev */ 5 struct module *owner; /*这个驱动的模块拥有者 */ 6 const char *driver_name; 7 const char *devfs_name; 8 const char *name; /* 设备名 */ 9 int name_base; /* offset of printed name */ 10 int major; /* 主设备号 */ 11 int minor_start; /* 开始次设备号 */ 12 int minor_num; /* 设备数量 */ 13 int num; /* 被分配的设备数量 */ 14 short type; /* tty驱动的类型 */ 15 short subtype; /* tty驱动的子类型 */ 16 struct termios init_termios; /* 初始线路设置 */ 17 int flags; /* tty驱动标志 */ 18 int refcount; /*引用计数（针对可加载的tty驱动） */ 19 struct proc_dir_entry *proc_entry; /* /proc文件系统入口 */ 20 struct tty_driver *other; /* 仅对PTY驱动有意义 */ 21 ... 22 /* 接口函数 */ 23 int(*open)(struct tty_struct *tty, struct file *filp); 24 void(*close)(struct tty_struct *tty, struct file *filp); 25 int(*write)(struct tty_struct *tty, const unsigned char *buf, int count); 26 void(*put_char)(struct tty_struct *tty, unsigned char ch); 27 void(*flush_chars)(struct tty_struct *tty); 28 int(*write_room)(struct tty_struct *tty); 29 int(*chars_in_buffer)(struct tty_struct *tty); 30 int(*ioctl)(struct tty_struct *tty, struct file *file, unsigned int cmd, 31 unsigned long arg); 32 void(*set_termios)(struct tty_struct *tty, struct termios *old); 33 void(*throttle)(struct tty_struct *tty); 34 void(*unthrottle)(struct tty_struct *tty); 35 void(*stop)(struct tty_struct *tty); 36 void(*start)(struct tty_struct *tty); 37 void(*hangup)(struct tty_struct *tty); 38 void(*break_ctl)(struct tty_struct *tty, int state); 39 void(*flush_buffer)(struct tty_struct *tty); 40 void(*set_ldisc)(struct tty_struct *tty); 41 void(*wait_until_sent)(struct tty_struct *tty, int timeout); 42 void(*send_xchar)(struct tty_struct *tty, char ch); 43 int(*read_proc)(char *page, char **start, off_t off, int count, int *eof, 44 void *data); 45 int(*write_proc)(struct file *file, const char __user *buffer, unsigned long 46 count, void *data); 47 int(*tiocmget)(struct tty_struct *tty, struct file *file); 48 int(*tiocmset)(struct tty_struct *tty, struct file *file, unsigned int set, 49 unsigned int clear); 50 51 struct list_head tty_drivers; 52 }; tty_driver结构体中的magic表示给这个结构体的“幻数”，设为 TTY_DRIVER_MAGIC，在 alloc_tty_driver()函数中被初始化。name与driver_name的不同在于后者表示驱动的名字，用在 /proc/tty 和 sysfs中，而前者表示驱动的设备节点名。type 与subtype描述tty驱动的类型和子类型，subtype的值依赖于type，type成员的可能值为 TTY_DRIVER_TYPE_SYSTEM（由tty子系统内部使用，subtype 应当设为 SYSTEM_TYPE_TTY、SYSTEM_TYEP_CONSOLE、SYSTEM_TYPE_SYSCONS或 SYSTEM_TYPE_SYSPTMX，这个类型不应当被任何常规tty驱动使用）、TTY_DRIVER_TYPE_CONSOLE（仅被控制台驱动使用）、TTY_DRIVER_TYPE_SERIAL（被任何串行类型驱动使用，subtype 应当设为 SERIAL_TYPE_NORMAL 或SERIAL_TYPE_CALLOUT）、TTY_DRIVER_TYPE_PTY（被伪控制台接口pty使用，此时subtype需要被设置为 PTY_TYPE_MASTER 或 PTY_TYPE_SLAVE）。init_termios 为初始线路设置，为一个termios结构体，这个成员被用来提供一个线路设置集合。termios 用于保存当前的线路设置，这些线路设置控制当前波特率、数据大小、数据流控设置等，这个结构体包含tcflag_t c_iflag（输入模式标志）、tcflag_t c_oflag（输出模式标志）、tcflag_t c_cflag（控制模式标志）、tcflag_t c_lflag（本地模式标志）、cc_t c_line（线路规程类型）、cc_t c_cc[NCCS]（一个控制字符数组）等成员。驱动会使用一个标准的数值集初始化这个成员，它拷贝自tty_std_termios变量，tty_std_termos在tty核心中的定义如代码清单14.2。 代码清单14.2 tty_std_termios变量 1 struct termios tty_std_termios = 2 { 3 .c_iflag = ICRNL | IXON, /* 输入模式 */ 4 .c_oflag = OPOST | ONLCR, /* 输出模式 */ 5 .c_cflag = B38400 | CS8 | CREAD | HUPCL, /* 控制模式 */ 6 .c_lflag = ISIG | ICANON | ECHO | ECHOE | ECHOK | 7 ECHOCTL | ECHOKE | IEXTEN, /* 本地模式 */ 8 .c_cc = INIT_C_CC /* 控制字符，用来修改终端的特殊字符映射 */ 9 }; tty_driver 结构体中的major、minor_start、minor_num表示主设备号、次设备号及可能的次设备数，name表示设备名（如ttyS），第 23～49行的函数指针实际和tty_operations结构体等同，它们通常需在特定设备tty驱动模块初始化函数中被赋值。put_char()为单字节写函数，当单个字节被写入设备时这个函数被 tty 核心调用，如果一个 tty 驱动没有定义这个函数，将使用count参数为1的write()函数。flush_chars()与wait_until_sent()函数都用于刷新数据到硬件。write_room()指示有多少缓冲区空闲，chars_in_buffer()指示缓冲区中包含的数据数。当 ioctl(2)在设备节点上被调用时，ioctl()函数将被 tty核心调用。当设备的 termios 设置被改变时，set_termios()函数将被tty核心调用。throttle ()、unthrottle()、stop()和start()为数据抑制函数，这些函数用来帮助控制 tty 核心的输入缓存。当 tty 核心的输入缓冲满时，throttle()函数将被调用，tty驱动试图通知设备不应当发送字符给它。当 tty 核心的输入缓冲已被清空时，unthrottle()函数将被调用暗示设备可以接收数据。stop()和start()函数非常像throttle()和 unthrottle()函数，但它们表示 tty 驱动应当停止发送数据给设备以及恢复发送数据。 当 tty驱动挂起 tty设备时，hangup()函数被调用，在此函数中进行相关的硬件操作。当tty 驱动要在 RS-232 端口上打开或关闭线路的 BREAK 状态时，break_ctl()线路中断控制函数被调用。如果state状态设为-1，BREAK 状态打开，如果状态设为 0，BREAK 状态关闭。如果这个函数由 tty 驱动实现，而tty核心将处理TCSBRK、TCSBRKP、TIOCSBRK和 TIOCCBRK这些ioctl命令。flush_buffer()函数用于刷新缓冲区并丢弃任何剩下的数据。set_ldisc()函数用于设置线路规程，当 tty 核心改变tty驱动的线路规程时这个函数被调用，这个函数通常不需要被驱动定义。send_xchar()为X-类型字符发送函数，这个函数用来发送一个高优先级 XON 或者 XOFF 字符给 tty设备，要被发送的字符在第2个参数ch中指定。read_proc()和write_proc()为/proc 读和写函数。tiocmget()函数用于获得tty 设备的线路设置，对应的tiocmset()用于设置tty设备的线路设置，参数set和clear包含了要设置或者清除的线路设置。 Linux内核提供了一组函数用于操作tty_driver结构体及tty设备，包括： • 分配tty驱动 struct tty_driver *alloc_tty_driver(int lines); 这个函数返回tty_driver指针，其参数为要分配的设备数量，line会被赋值给tty_driver的num成员，例如： xxx_tty_driver = alloc_tty_driver(XXX_TTY_MINORS); if (!xxx_tty_driver) //分配失败 return -ENOMEM; • 注册tty驱动 int tty_register_driver(struct tty_driver *driver); 注册tty驱动成功时返回0，参数为由alloc_tty_driver ()分配的tty_driver结构体指针，例如： retval = tty_register_driver(xxx_tty_driver); if (retval) //注册失败 { printk(KERN_ERR "failed to register tiny tty driver"); put_tty_driver(xxx_tty_driver); return retval; } • 注销tty驱动 int tty_unregister_driver(struct tty_driver *driver); 这个函数与tty_register_driver ()对应，tty驱动最终会调用上述函数注销tty_driver。 • 注册tty设备 void tty_register_device(struct tty_driver *driver, unsigned index, struct device *device); 仅有tty_driver是不够的，驱动必须依附于设备，tty_register_device()函数用于注册关联于tty_driver的设备，index为设备的索引（范围是0～driver->num），如： for (i = 0; i 14.3终端设备驱动初始化与释放 14.3.1模块加载与卸载函数 tty驱动的模块加载函数中通常需要分配、初始化tty_driver结构体并申请必要的硬件资源，代码清单14.4。tty驱动的模块卸载函数完成与模块加载函数完成相反的工作。 代码清单14.4 终端设备驱动模块加载函数范例 1 /* tty驱动模块加载函数 */ 2 static int __init xxx_init(void) 3 { 4 ... 5 /* 分配tty_driver结构体 */ 6 xxx_tty_driver = alloc_tty_driver(XXX_PORTS); 7 /* 初始化tty_driver结构体 */ 8 xxx_tty_driver->owner = THIS_MODULE; 9 xxx_tty_driver->devfs_name = "tts/"; 10 xxx_tty_driver->name = "ttyS"; 11 xxx_tty_driver->major = TTY_MAJOR; 12 xxx_tty_driver->minor_start = 64; 13 xxx_tty_driver->type = TTY_DRIVER_TYPE_SERIAL; 14 xxx_tty_driver->subtype = SERIAL_TYPE_NORMAL; 15 xxx_tty_driver->init_termios = tty_std_termios; 16 xxx_tty_driver->init_termios.c_cflag = B9600 | CS8 | CREAD | HUPCL | CLOCAL; 17 xxx_tty_driver->flags = TTY_DRIVER_REAL_RAW; 18 tty_set_operations(xxx_tty_driver, &xxx_ops); 19 20 ret = tty_register_driver(xxx_tty_driver); 21 if (ret) 22 { 23 printk(KERN_ERR "Couldn't register xxx serial driver\n"); 24 put_tty_driver(xxx_tty_driver); 25 return ret; 26 } 27 28 ... 29 ret = request_irq(...); /* 硬件资源申请 */ 30 ... 31 } 14.3.2打开与关闭函数 当用户对tty驱动所分配的设备节点进行open()系统调用时，tty_driver中的open()成员函数将被tty核心调用。tty 驱动必须设置open()成员，否则，-ENODEV将被返回给调用open()的用户。open()成员函数的第1个参数为一个指向分配给这个设备的 tty_struct 结构体的指针，第2个参数为文件指针。 tty_struct结构体被 tty核心用来保存当前tty端口的状态，它的大多数成员只被 tty核心使用。tty_struct中的几个重要成员如下： • flags标示tty 设备的当前状态，包括TTY_THROTTLED、TTY_IO_ERROR、TTY_OTHER_CLOSED、TTY_EXCLUSIVE、 TTY_DEBUG、TTY_DO_WRITE_WAKEUP、TTY_PUSH、TTY_CLOSING、TTY_DONT_FLIP、 TTY_HW_COOK_OUT、TTY_HW_COOK_IN、TTY_PTY_LOCK、TTY_NO_WRITE_SPLIT等。 • ldisc为给 tty 设备的线路规程。 • write_wait、read_wait为给tty写/读函数的等待队列，tty驱动应当在合适的时机唤醒对应的等待队列。 • termios为指向 tty 设备的当前 termios 设置的指针。 • stopped:1指示是否停止tty设备，tty 驱动可以设置这个值；hw_stopped:1指示是否tty设备已经被停止，tty 驱动可以设置这个值；flow_stopped:1指示是否 tty 设备数据流停止。 • driver_data、disc_data为数据指针，用于存储tty驱动和线路规程的“私有”数据。 驱动中可以定义1个设备相关的结构体，并在open()函数中将其赋值给tty_struct的driver_data成员，如代码清单14.5。 代码清单14.5 在tty驱动打开函数中赋值tty_struct的driver_data成员 1 /* 设备“私有”数据结构体 */ 2 struct xxx_tty 3 { 4 struct tty_struct *tty; /* tty_struct指针 */ 5 int open_count; /* 打开次数 */ 6 struct semaphore sem; /* 结构体锁定信号量 */ 7 int xmit_buf; /* 传输缓冲区 */ 8 ... 9 } 10 11 /* 打开函数 */ 12 static int xxx_open(struct tty_struct *tty, struct file *file) 13 { 14 struct xxx_tty *xxx; 15 16 /* 分配xxx_tty */ 17 xxx = kmalloc(sizeof(*xxx), GFP_KERNEL); 18 if (!xxx) 19 return - ENOMEM; 20 /* 初始化xxx_tty中的成员 */ 21 init_MUTEX(&xxx->sem); 22 xxx->open_count = 0; 23 ... 24 /* 让tty_struct中的driver_data指向xxx_tty */ 25 tty->driver_data = xxx; 26 xxx->tty = tty; 27 ... 28 return 0; 29 } 在用户对前面使用 open()系统调用而创建的文件句柄进行close()系统调用时，tty_driver中的close()成员函数将被tty核心调用。 14.4 数据发送和接收 图14.3给出了终端设备数据发送和接收过程中的数据流以及函数调用关系。用户在有数据发送给终端设备时，通过“write()系统调用――tty核心――线路规程”的层层调用，最终调用tty_driver结构体中的write()函数完成发送。 因为速度和tty硬件缓冲区容量的原因，不是所有的写程序要求的字符都可以在调用写函数时被发送，因此写函数应当返回能够发送给硬件的字节数以便用户程序检查是否所有的数据被真正写入。如果在 wirte()调用期间发生任何错误，一个负的错误码应当被返回。 图14.3 终端设备数据发送和接收过程中的数据流和函数调用关系 tty_driver 的write()函数接受3个参数tty_struct、发送数据指针及要发送的字节数，一般首先会通过tty_struct的driver_data成员得到设备私有信息结构体，然后依次进行必要的硬件操作开始发送，代码清单14.6给出了tty_driver的write()函数范例。 代码清单14.6 tty_driver结构体的write()成员函数范例 1 static int xxx_write(struct tty_struct *tty, const unsigned char *buf, int count) 2 { 3 /* 获得tty设备私有数据 */ 4 struct xxx_tty *xxx = (struct xxx_tty*)tty->driver_data; 5 ... 6 /* 开始发送 */ 7 while (1) 8 { 9 local_irq_save(flags); 10 c = min_t(int, count, min(SERIAL_XMIT_SIZE - xxx->xmit_cnt - 1, 11 SERIAL_XMIT_SIZE - xxx->xmit_head)); 12 if (c xmit_buf + xxx->xmit_head, buf, c); 19 xxx->xmit_head = (xxx->xmit_head + c) &(SERIAL_XMIT_SIZE - 1); 20 xxx->xmit_cnt += c; 21 local_irq_restore(flags); 22 23 buf += c; 24 count -= c; 25 total += c; 26 } 27 28 if (xxx->xmit_cnt && !tty->stopped && !tty->hw_stopped) 29 { 30 start_xmit(xxx);//开始发送 31 } 32 return total; //返回发送的字节数 33 } 当tty子系统自己需要发送数据到 tty 设备时，如果没有实现 put_char()函数，write()函数将被调用，此时传入的count参数为1，通过对代码清单14.7的分析即可获知。 代码清单14.7 put_char()函数的write()替代 1 int tty_register_driver(struct tty_driver *driver) 2 { 3 ... 4 if (!driver->put_char)//没有定义put_char()函数 5 driver->put_char = tty_default_put_char; 6 ... 7 } 8 static void tty_default_put_char(struct tty_struct *tty, unsigned char ch) 9 { 10 tty->driver->write(tty, &ch, 1);//调用tty_driver.write()函数 11 } 读者朋友们可能注意到了，tty_driver结构体中没有提供 read()函数。因为发送是用户主动的，而接收即用户调read()则是读一片缓冲区中已放好的数据。tty 核心在一个称为 struct tty_flip_buffer 的结构体中缓冲数据直到它被用户请求。因为tty核心提供了缓冲逻辑，因此每个 tty 驱动并非一定要实现它自身的缓冲逻辑。 tty驱动不必过于关心tty_flip_buffer 结构体的细节，如果其count字段大于或等于TTY_FLIPBUF_SIZE，这个flip缓冲区就需要被刷新到用户，刷新通过对 tty_flip_buffer_push()函数的调用来完成，代码清单代码清单14.8给出了范例。 代码清单14.8 tty_flip_buffer_push()范例 1 for (i = 0; i flip.count >= TTY_FLIPBUF_SIZE) 4 tty_flip_buffer_push(tty);//数据填满向上层“推” 5 tty_insert_flip_char(tty, data, TTY_NORMAL);//把数据插入缓冲区 6 } 7 tty_flip_buffer_push(tty); 从tty 驱动接收到字符通过tty_insert_flip_char()函数被插入到flip缓冲区。该函数的第1个参数是数据应当保存入的 tty_struct结构体，第 2 个参数是要保存的字符，第3个参数是应当为这个字符设置的标志，如果字符是一个接收到的常规字符，则设为TTY_NORMAL，如果是一个特殊类型的指示错误的字符，依据具体的错误类型，应当设为TTY_BREAK、 TTY_PARITY或TTY_OVERRUN。 14.5 TTY线路设置 14.5.1线路设置用户空间接口 用户可用如下2种方式改变tty设备的线路设置或者获取当前线路设置： 1、调用用户空间的termios库函数 用户空间的应用程序需引用termios.h头文件，该头文件包含了终端设备的I/O接口，实际是由POSIX定义的标准方法。对终端设备操作模式的描述由termios结构体完成，从代码清单14.2可以看出，这个结构体包含c_iflag、c_oflag、c_cflag、c_lflag和c_cc []几个成员。 termios的c_cflag主要包含如下位域信息：CSIZE（字长）、CSTOPB（2个停止位）、 PARENB（奇偶校验位使能）、PARODD （奇校验位，当PARENB被使能时）、 CREAD（字符接收使能，如果没有置位，仍然从端口接收字符，但这些字符都要被丢弃）、 CRTSCTS （如果被置位，使能CTS状态改变报告）、CLOCAL （如果没有置位，使能调制解调器状态改变报告）。 termios的c_iflag主要包含如下位域信息：INPCK （使能帧和奇偶校验错误检查）、BRKINT（break将清除终端输入/输出队列，向该终端上前台的程序发出SIGINT信号）、 PARMRK （奇偶校验和帧错误被标记，在INPCK被设置且IGNPAR未被设置的情况下才有意义）、IGNPAR （忽略奇偶校验和帧错误）、IGNBRK （忽略break）。 通过tcgetattr()、tcsetattr()函数即可完成对终端设备的操作模式的设置和获取，这2个函数的原型如下： int tcgetattr (int fd, struct termios *termios_p); int tcsetattr (int fd, int optional_actions, struct termios *termios_p); 例如，Raw模式的线路设置为： • 非正规模式 • 关闭回显 • 禁止 CR 到 NL 的映射（ICRNL）、输入奇偶校验、输入第 8 位的截取（ISTRIP）以及输出流控制 • ８位字符（CS8），奇偶校验被禁止 • 禁止所有的输出处理 • 每次一个字节 （c_cc [VMIN] = 1、c_cc [VTIME] = 0） 则对应的对termios结构体的设置就为： termios_p->c_iflag &= ~(IGNBRK | BRKINT | PARMRK | ISTRIP | INLCR | IGNCR | ICRNL | IXON); termios_p->c_oflag &= ~OPOST; termios_p->c_lflag &= ~(ECHO | ECHONL | ICANON | ISIG | IEXTEN); termios_p->c_cflag &= ~(CSIZE | PARENB); termios_p->c_cflag |= CS8; 通过如下一组函数可完成输入/输出波特率的获取和设置： speed_t cfgetospeed (struct termios *termios_p); //获得输出波特率 speed_t cfgetispeed (struct termios *termios_p); //获得输入波特率 int cfsetospeed (struct termios *termios_p, speed_t speed); //设置输出波特率 int cfsetispeed (struct termios *termios_p, speed_t speed); //设置输入波特率 如下一组函数则完成线路控制： int tcdrain (int fd); //等待所有输出都被发送 int tcflush (int fd, int queue_selector); //flush输入/输出缓存 int tcflow (int fd, int action); // 对输入和输出流进行控制 int tcsendbreak (int fd, int duration);//发送break tcflush函数刷清（抛弃）输入缓存（终端驱动程序已接收到，但用户程序尚未读取）或输出缓存（用户程序已经写，但驱动尚未发送），queue参数可取TCIFLUSH（刷清输入队列）、TCOFLUSH（刷清输出队列）或TCIOFLUSH（刷清输入、输出队列）。 tcflow()对输入输出进行流控制，action参数可取TCOOFF（输出被挂起）、TCOON（重新启动以前被挂起的输出）、TCIOFF（发送1个STOP字符，使终端设备暂停发送数据）、TCION（发送1个START字符，使终端恢复发送数据）。 tcsendbreak()函数在一个指定的时间区间内发送连续的0二进位流。若duration参数为0，则此种发送延续0.25-0.5秒之间。POSIX.1说明若duration非0，则发送时间依赖于实现。 2、对tty设备节点进行ioctl()调用 大部分termios库函数会被转化为对tty设备节点的ioctl()调用，例如tcgetattr()、tcsetattr()函数对应着TCGETS、TCSETS IO控制命令。TIOCMGET （获得MODEM状态位）、TIOCMSET（设置MODEM状态位）、TIOCMBIC （清除指示MODEM位）、TIOCMBIS（设置指示MODEM位）这4个IO控制命令用于获取和设置MODEM握手，如RTS、CTS、DTR、 DSR、RI、CD等。 14.5.2 tty驱动set_termios函数 大部分 termios 用户空间函数被库转换为对驱动节点的 ioctl()调用，而tty ioctl中的大部分命令会被tty核心转换为对tty驱动的set_termios()函数的调用。set_termios()函数需要根据用户对 termios的设置（termios设置包括字长、奇偶校验位、停止位、波特率等）完成实际的硬件设置。 tty_operations中的set_termios()函数原型为： void(*set_termios)(struct tty_struct *tty, struct termios *old); 新的设置被保存在tty_struct中，旧的设置被保存在old参数中，若新旧参数相同，则什么都不需要做，对于被改变的设置，需完成硬件上的设置，代码清单14.9给出了set_termios()函数的例子。 代码清单14.9 tty驱动程序set_termios()函数范例 1 static void xxx_set_termios(struct tty_struct *tty, struct termios *old_termios) 2 { 3 struct xxx_tty *info = (struct cyclades_port*)tty->driver_data; 4 /* 新设置等同于老设置，什么也不做 */ 5 if (tty->termios->c_cflag == old_termios->c_cflag) 6 return ; 7 ... 8 9 /* 关闭CRTSCTS硬件流控制 */ 10 if ((old_termios->c_cflag &CRTSCTS) && !(cflag &CRTSCTS)) 11 { 12 ... 13 } 14 15 /* 打开CRTSCTS硬件流控制 */ 16 if (!(old_termios->c_cflag &CRTSCTS) && (cflag &CRTSCTS)) 17 { 18 ... 19 } 20 21 /* 设置字节大小 */ 22 switch (tty->termios->c_cflag &CSIZE) 23 { 24 25 case CS5: 26 ... 27 case CS6: 28 ... 29 case CS7: 30 ... 31 case CS8: 32 ... 33 } 34 35 /* 设置奇偶校验 */ 36 if (tty->termios->c_cflag &PARENB) 37 if (tty->termios->c_cflag &PARODD) //奇校验 38 ... 39 else //偶校验 40 ... 41 else //无校验 42 ... 43 } 14.5.3 tty驱动 tiocmget和tiocmset函数 对TIOCMGET、 TIOCMSET、TIOCMBIC和TIOCMBIS IO控制命令的调用将被tty核心转换为对tty驱动tiocmget()函数和tiocmset()函数的调用，TIOCMGET对应tiocmget ()函数，TIOCMSET、TIOCMBIC和TIOCMBIS 对应tiocmset()函数，分别用于读取Modem控制的设置和进行Modem的设置。代码清单14.10给出了tiocmget()函数的范例，代 码清单14.11则给出了tiocmset()函数的范例。 代码清单14.10 tty驱动程序tiocmget()函数范例 1 static int xxx_tiocmget(struct tty_struct *tty, struct file *file) 2 { 3 struct xxx_tty *info = tty->driver_ data; 4 unsigned int result = 0; 5 unsigned int msr = info->msr; 6 unsigned int mcr = info->mcr; 7 result = ((mcr &MCR_DTR) ? TIOCM_DTR : 0) | /* DTR 被设置 */ 8 ((mcr &MCR_RTS) ? TIOCM_RTS : 0) | /* RTS 被设置 */ 9 ((mcr &MCR_LOOP) ? TIOCM_LOOP : 0) | /* LOOP 被设置 */ 10 ((msr &MSR_CTS) ? TIOCM_CTS : 0) | /* CTS 被设置 */ 11 ((msr &MSR_CD) ? TIOCM_CAR : 0) | /* CD 被设置*/ 12 ((msr &MSR_RI) ? TIOCM_RI : 0) | /* 振铃指示被设置 */ 13 ((msr &MSR_DSR) ? TIOCM_DSR : 0); /* DSR 被设置 */ 14 return result; 15 } 代码清单14.11 tty驱动程序tiocmset()函数范例 1 static int xxx_tiocmset(struct tty_struct *tty, struct file *file, unsigned 2 int set, unsigned int clear) 3 { 4 struct xxx_tty *info = tty->driver_data; 5 unsigned int mcr = info->mcr; 6 7 if (set &TIOCM_RTS) /* 设置RTS */ 8 mcr |= MCR_RTS; 9 if (set &TIOCM_DTR) /* 设置DTR */ 10 mcr |= MCR_RTS; 11 12 if (clear &TIOCM_RTS) /* 清除RTS */ 13 mcr &= ~MCR_RTS; 14 if (clear &TIOCM_DTR) /* 清除DTR */ 15 mcr &= ~MCR_RTS; 16 17 /* 设置设备新的MCR值 */ 18 tiny->mcr = mcr; 19 return 0; 20 } tiocmget()函数会访问MODEM状态寄存器（MSR），而tiocmset()函数会访问MODEM控制寄存器（MCR）。 14.5.3 tty驱动ioctl函数 当用户在tty设备节点上进行ioctl(2) 调用时，tty_operations中的 ioctl()函数会被tty核心调用。如果 tty 驱动不知道如何处理传递给它的 ioctl 值，它返回 –ENOIOCTLCMD，之后tty 核心会执行一个通用的操作。 驱动中常见的需处理 的IO控制命令包括TIOCSERGETLSR（获得这个 tty 设备的线路状态寄存器LSR 的值）、TIOCGSERIAL（获得串口线信息）、TIOCMIWAIT（等待 MSR 改变）、TIOCGICOUNT（获得中断计数）等。代码清单14.12给出了tty驱动程序ioctl()函数的范例。 代码清单14.12 tty驱动程序ioctl()函数范例 1 static int xxx_ioctl(struct tty_struct *tty, struct file *filp, unsigned int 2 cmd, unsigned long arg) 3 { 4 struct xxx_tty *info = tty->driver_data; 5 ... 6 /* 处理各种命令 */ 7 switch (cmd) 8 { 9 case TIOCGSERIAL: 10 ... 11 case TIOCSSERIAL: 12 ... 13 case TIOCSERCONFIG: 14 ... 15 case TIOCMIWAIT: 16 ... 17 case TIOCGICOUNT: 18 ... 19 case TIOCSERGETLSR: 20 ... 21 } 22 ... 23 } 14.6 UART设备驱动 尽管一个特定的UART设备驱动完全可以遵循14.2~14.5的方法来设计，即定义tty_driver并实现其中的成员函数，但是Linux已经在文件 serial_core.c中实现了UART设备的通用tty驱动层（姑且称其为串口核心层），这样，UART驱动的主要任务演变成实现serial- core.c中定义的一组uart_xxx接口而非tty_xxx接口，如图14.5所示。 serial_core.c串口核心层完全可以被当作14.2～14.5节tty设备驱动的实例，它实现了UART设备的tty驱动。 提示：Linux驱动的这种分层思想在许多类型的设备驱动中都得到了体现，例如上一章IDE设备驱动中，内核实现了通用的IDE层用于处理块设备I/O请求，而具体的IDE则只需使用ide_xxx这样的接口，甚至不必理会复杂的块设备驱动结构。 图14.5 串口核心层 串口核心层为串口设备驱动提供了如下3个结构体： 1、uart_driver uart_driver包含串口设备的驱动名、设备名、设备号等信息，它封装了tty_driver，使得底层的UART驱动无需关心tty_driver，其定义如代码清单14.13。 代码清单14.13 uart_driver结构体 1 struct uart_driver 2 { 3 struct module *owner; 4 const char *driver_name; //驱动名 5 const char *dev_name; //设备名 6 const char *devfs_name; //设备文件系统名 7 int major; //主设备号 8 int minor; //次设备号 9 int nr; 10 struct console *cons; 11 12 /* 私有的，底层驱动不应该访问这些成员，应该被初始化为NULL */ 13 struct uart_state *state; 14 struct tty_driver *tty_driver; 15 }; 一个tty驱动必须注册/注销tty_driver，而一个UART驱动则演变为注册/注销uart_driver，使用如下接口： int uart_register_driver(struct uart_driver *drv); void uart_unregister_driver(struct uart_driver *drv); 实际上，uart_register_driver()和uart_unregister_driver()中分别包含了tty_register_driver()和tty_unregister_driver()的操作，如代码清单14.14所示。 代码清单14.14 uart_register_driver()和uart_unregister_driver()函数 1 int uart_register_driver(struct uart_driver *drv) 2 { 3 struct tty_driver *normal = NULL; 4 int i, retval; 5 ... 6 /* 分配tty_driver */ 7 normal = alloc_tty_driver(drv->nr); 8 if (!normal) 9 goto out; 10 drv->tty_driver = normal; 11 /* 初始化tty_driver */ 12 normal->owner = drv->owner; 13 normal->driver_name = drv->driver_name; 14 normal->devfs_name = drv->devfs_name; 15 normal->name = drv->dev_name; 16 normal->major = drv->major; 17 normal->minor_start = drv->minor; 18 normal->type = TTY_DRIVER_TYPE_SERIAL; 19 normal->subtype = SERIAL_TYPE_NORMAL; 20 normal->init_termios = tty_std_termios; 21 normal->init_termios.c_cflag = B9600 | CS8 | CREAD | HUPCL | CLOCAL; 22 normal->flags = TTY_DRIVER_REAL_RAW | TTY_DRIVER_NO_DEVFS; 23 normal->driver_state = drv; 24 tty_set_operations(normal, &uart_ops); 25 26 ... 27 /* 注册tty驱动 */ 28 retval = tty_register_driver(normal); 29 out: 30 if (retval state); 33 } 34 return retval; 35 } 36 37 void uart_unregister_driver(struct uart_driver *drv) 38 { 39 struct tty_driver *p = drv->tty_driver; 40 tty_unregister_driver(p); /* 注销tty驱动 */ 41 put_tty_driver(p); 42 kfree(drv->state); 43 drv->tty_driver = NULL; 44 } 2、uart_port uart_port用于描述一个UART端口（直接对应于一个串口）的I/O端口或I/O内存地址、FIFO大小、端口类型等信息，其定义如代码清单14.15。 代码清单14.15 uart_port结构体 1 struct uart_port 2 { 3 spinlock_t lock; /* 端口锁 */ 4 unsigned int iobase; /* IO端口基地址 */ 5 unsigned char __iomem *membase; /* IO内存基地址 */ 6 unsigned int irq; /* 中断号 */ 7 unsigned int uartclk; /* UART时钟 */ 8 unsigned char fifosize; /* 传输fifo大小 */ 9 unsigned char x_char; /* xon/xoff字符 */ 10 unsigned char regshift; /* 寄存器位移 */ 11 unsigned char iotype; /* IO存取类型 */ 12 13 #define UPIO_PORT (0) /* IO端口*/ 14 #define UPIO_HUB6 (1) 15 #define UPIO_MEM (2) /* IO内存*/ 16 #define UPIO_MEM32 (3) 17 #define UPIO_AU (4) /* Au1x00类型IO */ 18 19 unsigned int read_status_mask; /* 驱动相关的 */ 20 unsigned int ignore_status_mask; /* 驱动相关的 */ 21 struct uart_info *info; /* 指向parent信息 */ 22 struct uart_icount icount; /* 计数 */ 23 24 struct console *cons; /* console结构体 */ 25 #ifdef CONFIG_SERIAL_CORE_CONSOLE 26 unsigned long sysrq; /* sysrq超时 */ 27 #endif 28 29 upf_t flags; 30 31 #define UPF_FOURPORT ((__force upf_t) (1 driver_data; 4 struct uart_port *port = state->port; 5 unsigned long flags; 6 //如果uart_ops中实现了send_xchar成员函数 7 if (port->ops->send_xchar) 8 port->ops->send_xchar(port, ch); 9 else //uart_ops中未实现send_xchar成员函数 10 { 11 port->x_char = ch; //xchar赋值 12 if (ch) 13 { 14 spin_lock_irqsave(&port->lock, flags); 15 port->ops->start_tx(port); //发送xchar 16 spin_unlock_irqrestore(&port->lock, flags); 17 } 18 } 19 } 注意: 整个调用流程为: 系统调用write()->uart_write()(tty_driver)->port->ops->start_tx(); 在使用串口核心层这个通用串口tty驱动层的接口后，一个串口驱动要完成的主要工作将包括： • 定义uart_driver、uart_ops、uart_port等结构体的实例并在适当的地方根据具体硬件和驱动的情况初始化它们，当然具体设备 xxx的驱动可以将这些结构套在新定义的xxx_uart_driver、xxx_uart_ops、xxx_uart_port之内。 • 在模块初始化时调用uart_register_driver()和uart_add_one_port()以注册UART驱动并添加端口，在模块卸载时 调用uart_unregister_driver()和uart_remove_one_port()以注销UART驱动并移除端口。 • 根据具体硬件的datasheet实现uart_ops中的成员函数，这些函数的实现成为UART驱动的主体工作。 14.7实例：S3C2410 UART的驱动 14.7.1 S3C2410串口硬件描述 S3C2410 内部具有3个独立的UART控制器，每个控制器都可以工作在Interrupt（中断）模式或DMA（直接内存访问）模式，也就是说UART控制器可以在 CPU与UART控制器传送资料的时候产生中断或DMA请求。S3C2410集成的每个UART均具有16字节的FIFO，支持的最高波特率可达到 230.4Kbps。 ULCONn（UART Line Control Register）寄存器用于S3C2410 UART的线路控制，用于设置模式、每帧的数据位数、停止位数及奇偶校验，如表14.1。 表14.1 S3C2410 UART的ULCONn寄存器 ULCONn 位 描述 保留 [7] 红外模式 [6] 0：正常模式 1：红外模式 奇偶校验 [5:3] 0xx：无校验 100：奇校验 101：偶校验 ... 停止位 [2] 0：1个停止位 1：2个停止位 字长 [1:0] 00：5位 01：6位 10：7位 11：8位 UCONn（UART Control Register）寄存器用于从整体上控制S3C2410 UART的中断模式及工作模式（DMA、中断、轮询）等，如表14.2。 表14.2 S3C2410 UART的UCONn寄存器 UCONn 位 描述 时钟选择 [10] 为UART的波特率产生选择PCLK或UCLK时钟 Tx中断 [9] 0：脉冲 1：电平 Rx中断 [8] 0：脉冲 1：电平 Rx超时使能 [7] 当UART被使能，使能/禁止Rx超时中断 0：禁止 1：使能 Rx错误状态中断使能 [6] 使能接收异常中断（如break、帧错误、校验错、溢出等） loopback [5] 0：正常模式 1：回环 发送break [4] 设置该位将造成UART在1帧的时间内发送break，当发送完break后，该位将自动被清除 发送模式 [3:2] 发送数据到UART的模式，00：禁止 01：中断或轮询 10：DMA0（仅针对UART0）、DMA3（仅针对UART3） 11：DMA1（仅针对UART1） 接收模式 [1:0] 从UART接收数据的模式，00：禁止 01：中断或轮询 10：DMA0（仅针对UART0） UFCONn（UART FIFO Conrtol Register）寄存器用于S3C2410 UART的FIFO控制，用于控制FIFO中断的触发级别以及复位时是否清空FIFO中的内容，如表14.3。 表14.3 S3C2410 UART的UFCONn寄存器 UFCONn 位 描述 Tx FIFO触发级别 [7:6] 决定发送FIFO的触发级别： 00：空 01：4字节 10：8字节 11：12字节 Rx FIFO触发级别 [5:4] 决定接收FIFO的触发级别： 00：4字节 01：8字节 10：12字节 11：16字节 Tx FIFO复位 [2] 复位FIFO后自动清除FIFO 0：正常 1：Tx FIFO复位 Rx FIFO复位 [1] 复位FIFO后自动清除FIFO 0：正常 1：Tx FIFO复位 FIFO使能 [0] 0：禁止 1：使能 代码清单14.19给出了UFCONn寄存器的位掩码和默认设置（使能FIFO、Tx FIFO为空时触发中断、Rx FIFO中包含8个字节时触发中断）。 代码清单14.19 S3C2410 UART UFCONn寄存器的位掩码和默认设置 1 #define S3C2410_UFCON_FIFOMODE (1 Rx FIFO数据数 [3:0] 由于UFSTATn寄存器中的Tx FIFO数据数和Rx FIFO数据数分别占据[7:4]和[3:0]位，因此定义S3C2410_UFSTAT_TXSHIFT和 S3C2410_UFSTAT_RXSHIFT分别为4和0，代码清单14.20给出了UFSTATn寄存器的位掩码等信息。 代码清单14.20 S3C2410 UART UFSTATn寄存器的位掩码 1 #define S3C2410_UFSTAT_TXFULL (1 2 39 40 [2] = { 41 .port = { 42 .lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED, 43 .iotype = UPIO_MEM, 44 .irq = IRQ_S3CUART_RX2, 45 .uartclk = 0, 46 .fifosize = 16, 47 .ops = &s3c24xx_serial_ops, 48 .flags = UPF_BOOT_AUTOCONF, 49 .line = 2, //端口索引：2 50 } 51 } 52 #endif 53 }; S3C2410串口驱动中uart_ops结构体实例的定义如代码清单14.23，将一系列s3c24xx_serial_函数赋值给了uart_ops结构体的成员。 代码清单14.23 S3C2410串口驱动uart_ops结构体 1 static struct uart_ops s3c24xx_serial_ops = 2 { 3 .pm = s3c24xx_serial_pm, 4 .tx_empty = s3c24xx_serial_tx_empty,//发送缓冲区空 5 .get_mctrl = s3c24xx_serial_get_mctrl,//得到modem控制设置 6 .set_mctrl = s3c24xx_serial_set_mctrl, //设置modem控制（MCR） 7 .stop_tx = s3c24xx_serial_stop_tx, //停止接收字符 8 .start_tx = s3c24xx_serial_start_tx,//开始传输字符 9 .stop_rx = s3c24xx_serial_stop_rx, //停止接收字符 10 .enable_ms = s3c24xx_serial_enable_ms,// modem状态中断使能 11 .break_ctl = s3c24xx_serial_break_ctl,// 控制break信号的传输 12 .startup = s3c24xx_serial_startup,//启动端口 13 .shutdown = s3c24xx_serial_shutdown,// 禁用端口 14 .set_termios = s3c24xx_serial_set_termios,//改变端口参数 15 .type = s3c24xx_serial_type,//返回描述特定端口的常量字符串指针 16 .release_port = s3c24xx_serial_release_port,//释放端口占用的内存及IO资源 17 .request_port = s3c24xx_serial_request_port,//申请端口所需的内存和IO资源 18 .config_port = s3c24xx_serial_config_port,//执行端口所需的自动配置步骤 19 .verify_port = s3c24xx_serial_verify_port,//验证新的串行端口信息 20 }; set_mctrl()函数的原型为： void (*set_mctrl)(struct uart_port *port, u_int mctrl); 它将参数port所对应的调制解调器控制线的值设为参数mctrl的值。 get_mctrl()函数的原型为： unsigned int (*get_mctrl)(struct uart_port *port); 该函数返回调制解调器控制输入的现有状态，这些状态信息包括：TIOCM_CD（CD 信号状态）、TIOCM_CTS（CTS信号状态）、TIOCM_DSR（DSR信号状态）、TIOCM_RI（RI信号状态）等。如果信号被置为有效，则对应位将被置位。 端口启动函数startup()的原型为： int (*startup)(struct uart_port *port, struct uart_info *info); 该函数申请所有中断资源，初始化底层驱动状态，并开启端口为可接收数据的状态。 shutdown()函数完成与startup()函数的作用相反，其原型： void (*shutdown)(struct uart_port *port, struct uart_info *info); 这个函数禁用端口，释放所有的中断资源。 回过头来看s3c24xx_uart_port结构体，其中的s3c24xx_uart_info成员（代码清单14.22第6行）是一些针对S3C2410 UART的信息，其定义如代码清单14.24。 代码清单14.24 S3C2410串口驱动s3c24xx_uart_info结构体 1 static struct s3c24xx_uart_info s3c2410_uart_inf = 2 { 3 .name = "Samsung S3C2410 UART", 4 .type = PORT_S3C2410, 5 .fifosize = 16, 6 .rx_fifomask = S3C2410_UFSTAT_RXMASK, 7 .rx_fifoshift = S3C2410_UFSTAT_RXSHIFT, 8 .rx_fifofull = S3C2410_UFSTAT_RXFULL, 9 *博客内容为网友个人发布，仅代表博主个人观点，如有侵权请联系工作人员删除。 |
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