扩展串口驱动程序移植

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嵌入式Linux设备驱动开发之扩展串口驱动程序移植

《嵌入式Linux应用完全开发手册》第4篇第21章总结归纳

本章目标

  1. 了解串口终端设备驱动程序的层次结构
  2. 掌握移植标准串口驱动程序的方法

串口驱动程序框架概述

串口驱动程序术语介绍

在Linux中经常碰到“控制台”、“终端”、“console”、“tty”、“terminal”等术语，也经常使用到这些设备文件：/dev/ttySAC0、/dev/tty0、/dev/console等。要理解这些术语，需要从以前的计算机说起。
最初的计算机价格昂贵，一台计算机通常连接多套键盘和显示器供人使用。在以前专门有这种可以连上一台电脑的设备，他只有显示器和键盘，外加简单的处理电路，本身不具备处理信息的能力。用户通过它连接到计算机上（通常是通过串口），然后登录系统，对计算机进行操作。这样一台只有输入、显示部件，并能够连接到计算机的设备就叫做终端。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。在Linux中，就用“tty”来表示终端设备，比如内核文件“tty_io.c”、“tty_ioctl.c”等都是与“终端相关的驱动程序”。设备文件/dev/ttySAC0、/dev/tty0等也表示某类终端设备。
“console”的意思即为控制台，顾名思义，控制台就是用户与系统进行交互的设备，这和终端的作用类似。实际上控制台和终端相比，也只是多了一项功能：它可以显示系统信息，比如内核消息、后台服务消息。从硬件上看，控制台和终端都是具备输入和显示功能的设备。
控制台和终端的区别体现在软件上，Linux内核从很早之前发展而来，代码中仍保留了“控制台”、“终端”的概念。启动Linux内核前传入的命令行参数“console=…”就是用来指定“控制台”的。控制台在tty驱动初始化之前就可以使用了，它最开始的时候被用来显示内核消息（比如printk函数输出的消息）。
当tty驱动初始化完毕之后。用户程序就可以通过tty驱动的接口来操作各类终端设备，包括控制台。从这个意义上来说，控制台也是一种终端，只不过它还能显示内核信息。
从命令行参数“console=ttySAC0”、“console=tty0”可以了解到：系统中有很多终端设备，可以选取其中一个或多个来作为控制台。设备文件/dev/console对应的设备就是命令行参数“console=...”指定的、用作控制台的终端设备。

串口驱动程序的4种结构

终端设备有很多种类，比如串行终端、键盘和显示器、通过网络实现的终端等。串口也属于一种终端设备，它的驱动程序不仅仅是初始化硬件、发送/接收数据。在基本硬件操作的基础上，还增加了很多软件的功能，这是一个多层次的驱动程序。
串口驱动程序从上到下分为4层：终端设备层、行规程、串口抽象层、串口芯片层。这种分法不是绝对的，只是为了更方便理解程序，如下图所示：
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终端设备层和行规程的下面还有其他类型的层次和串口的层次并列，比如键盘、显示器等，接下来只关注串口。
终端设备层向上提供统一的访问接口，使得用户不必关注具体终端的类型。
行规程的作用是指定数据交互的“规矩”，比如流量控制、对输入的数据进行变换处理等。常见的用途有：将TAB字符转换为8个空格，当接收到删除键时删除前面输入的字符，当接收到“CTRL + C”时，发送SIGINT信号。
串口抽象层和串口芯片层都属于底层的驱动程序，它们用来操作硬件。串口抽象层将各类串口的共性概括出来，他也是底层串口驱动的核心部分，比如根据串口芯片层提供的地址识别串口类型，设置波特率等。
串口芯片层与芯片无关，主要是向串口抽象层提供串口芯片所用的资源（访问地址、中断号等），还进行一些与芯片相关的设置。对于标准串口，移植的工作主要在这一层。

串口接收到 “Ctrl + C”时

在串口控制台的前台运行一个程序时，如果要手动结束它，可以输入“Ctrl + C”，处理流程如下：

  1. 串口接受到字符“Ctrl + C”（ASCII码为0x03）后触发中断。假设中断处理函数是drivers/serial/8250.c中的serial8250_interrupt，它属于最底层的函数。
  2. 中断处理函数会将这个字符放入tty层的缓冲区中，每个终端设备都有一个接收缓冲区，里面保存的是原始数据。这一步的函数调用顺序如下：
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    serial8250_interrupt(串口芯片层)--->
        serial8250_handle_port(串口芯片层)--->
            receive_chars(串口芯片层)--->
                usrt_insert_char(串口抽象层)--->
                    tty_insert_flip_char(终端设备层)--->
  3. 中断处理函数还要调用其他函数进一步处理原始数据，他最终会向当前进程发送SIGINT信号，让它退出。函数调用顺序如下：
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    serial8250_interrupt(串口芯片层)--->
        serial8250_handle_port(串口芯片层)--->
            receive_chars(串口芯片层)--->
                usrt_insert_char(串口抽象层)--->
                    tty_insert_flip_char(终端设备层)//保存接收到的数据及它的标志（是否有错误）
                    tty_flip_buffer_push(终端设备层)--->
                        flush_to_ldisc(终端设备层)--->
                            disc->receive_buf，即n_tty_receive_buf(行规程)--->
                                n_tty_receive_char(行规程)--->
                                    n_tty_receice_char(终端设备层)--->//根据字符进行不同的处理
                                    发送SIGINT信号，isig(行规程)//对于“Ctrl + C”，发信号

串口接收普通数据时

串口的接口简单，它的驱动程序相对于USB、IDE等接口的驱动程序而言比较容易掌握。但是串口驱动程序中的分层思想、通过中断处理函数或者定时器处理函数来完成硬件的操作以释放CPU资源的技巧等，这些技术在内核中比较普遍。
以串口接收到字符为例，在控制台上输入“ls”并按回车键时，发生如下事情：

  1. shell程序一直在休眠，等待接收到“足够”或者“合适”的字符。
  2. 串口接受到字符“l”，将它保存起来。
  3. 串口输出字符“l”，这样控制台就能看到“l”的字样了。
  4. 同理，字符“s”也是如此。
  5. 串口接收到回车符，唤醒shell进程。
  6. shell进程就会读取这些字符做什么事情，本例中，它会打印出当前目录下的内容。

这些过程涉及的函数与上面对“Ctrl + C”的处理过程类似，只是在n_tty_sereive_char函数中，对于普通字符将调用echo_char函数将它回显；对于回车符，回显之后还要调用waitqueue_active唤醒等待数据的进程。

串口发送数据时

在往串口上发送数据时，在U-Boot中是发送一个字符之后，循环查询串口状态，当串口再次就绪时，发送下一个字符。如此循环，知道发送完所有字符。在查询状态的过程中，耗费了CPU资源，效率低下。
在Linux中，串口字符的发送也是通过中断来驱动的。比如在串口控制台上运行一个程序，里面有printf("hello,world\n")字样的语句，它的函数调用关系如下：

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tty_write(终端设备层)--->
    do_tty_write(终端设备层)--->
        write_chan(行规程)--->
            add_wait_queue(&tty_write_wait, &wait);     //加入等待队列
            tty->driver->write, 即uart_write(串口抽象层)--->
                //数据先被保存在串口端口(port)的缓冲区，然后启动发送
                uart_start(串口抽象层)--->
                    __uart_start(串口抽象层)--->
                        port->ops->start_tx,即serial8250_start_tx(串口芯片层)--->
                            up->ier |= UART_IER_THRI;   //这两行使能串口发送中断
                            serial_out(up, UART_IER,up->ier);   //字符的发送在中断函数中进行
            schedule()  //假如uart_write没立刻发送完数据，进程休眠

可见，即使是发送数据，也没有使用循环查询的方法，他只是把数据保存起来，然后开启发送中断。当串口芯片内部的发送缓冲区可以再次存入数据时，这个中断被触发；在中断处理函数中将数据一点点地发送给串口芯片。
仍以serial8250_interrupt函数为例，发送数据时的调用关系如下：

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serial8250_interrupt(串口芯片层)--->
    serial8250_handle_port(串口芯片层)--->
        transmit_chars(串口芯片层)--->
            serial_out(串口芯片层)---> //将数据写入串口芯片
            //如果已经发送完毕，唤醒进程
            uart_write_wakeup,将调用uart_tasklet_action(串口抽象层)--->
                tty_wakeup(终端设备层)--->
                    //与上面的write_chan中的“add_wait_queue(&tty->write_wait,&wait)”对应
                    wake_up_interruptible(&tty->write_wait); //唤醒“等待发送完毕”的进程
            //如果已经发送完毕，则禁止发送中断
            __stop_tx(串口芯片层)

扩展串口驱动移植

串口驱动程序底层代码分析

扩展串口在开发板上的连线如下图所示，中间的缓冲器用来提高电路的驱动能力。
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扩展串口芯片16C2550属于标准串口，内核的串口驱动程序对它支持良好。可以大胆假设，移植的工作只有一点：告诉这些驱动程序这个扩展芯片所使用的资源，即访问地址和中断号。
与具体芯片相关的驱动代码在“串口芯片层”。对于16C2550，它就是drivers/serial/8250.c。入口函数为serial8250_init，它被用来向上层驱动程序注册串口的物理信息。只要弄清楚了这个函数就知道怎么增加对扩展串口的支持了。
serial8250_init函数代码如下：

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static int __init serial8250_init(void)
{
...
	ret = uart_register_driver(&serial8250_reg); //注册串口终端设备，未和具体串口挂钩
...
	serial8250_isa_devs = platform_device_alloc("serial8250",
						    PLAT8250_DEV_LEGACY);//分配platform_device 结构
...
	ret = platform_device_add(serial8250_isa_devs);//加入内核设备层
...
	serial8250_register_ports(&serial8250_reg, &serial8250_isa_devs->dev);//枚举old_serial_port中定义的串口

	ret = platform_driver_register(&serial8250_isa_driver);//枚举内核设备层中的接口
...
}

上述5个函数是关键，其中platform_driver_register是重点。
uart_register_driver函数向“终端设备层”注册驱动serial8250_reg，它指定了终端设备的名称、主次设备号等。serial8250_reg内容如下：

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static struct uart_driver serial8250_reg = {
	.owner			= THIS_MODULE,
	.driver_name		= "serial", //驱动名称，可以使用“cat /proc/tty/driver/serial”来查看
	.dev_name		= "ttyS",//设备名称，可以使用“cat /proc/devices”来查看
	.major			= TTY_MAJOR,//主设备号为4
	.minor			= 64,//次设备号
	.nr			= UART_NR,//支持的最大串口数，默认为8
	.cons			= SERIAL8250_CONSOLE,//控制台，如果非空，可以用作控制台
};

uart_register_driver只是注册了主次设备号分别为4和64的终端设备，它还没和具体的硬件挂钩。
platform_device_alloc、platform_device_add、serial8250_register_ports三个函数被用来枚举“老方法定义的”串口设备。所谓“老方法定义的”串口设备就是使用old_serial_port结构指定物理信息的串口，这是为了与以前的串口驱动兼容而遗留下的数据结构。在drivers/serial/8250.c中有如下几行，其中的SERIAL_PORT_DFNS宏在本书所用的内核中被定义为NULL:

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static const struct old_serial_port old_serial_port[] = {
	SERIAL_PORT_DFNS /* defined in asm/serial.h */
};

platform_driver_register函数向内核注册了一个平台驱动serial8250_isa_driver，它用来枚举名称为“serial8250”的平台设备。
内核根据其他发生确定了很多设备的信息，这些设备被称为平台设备；加载平台驱动程序时将驱动程序与平台设备逐个比较，如果两者匹配，就是用这个驱动来进一步处理。是否匹配的判断方法是：设备名称和驱动名称是否一样。serial8250_isa_driver结构定义如下：

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static struct platform_driver serial8250_isa_driver = {
	.probe		= serial8250_probe,
	.remove		= __devexit_p(serial8250_remove),
	.suspend	= serial8250_suspend,
	.resume		= serial8250_resume,
	.driver		= {
		.name	= "serial8250",
		.owner	= THIS_MODULE,
	},
};

可见，serial8250_isa_driver中驱动名称为“serial8250”，只要内核中有相同名称的平台设备，platform_driver_register函数最终会调用serial8250_probe函数来枚举它。
只要内核中名为“serial8250”的平台设备定义了正确的串口物理信息，serial8250_probe函数就能自动的检测串口，并将它和前面注册的终端设备联系起来。
总而言之，移植扩展串口的主要工作是构建一个平台设备的数据结构，在里面指定串口的物理信息。

修改代码以支持扩展串口

串口的物理信息主要有两类，访问地址、中断号。只要指明了这两点，并使它们可用，就可以驱动串口了。“使它们可用”的意思是：设置相关的存储控制器以适当的位宽访问这些地址，注册中断时指明合适的触发方式。

构建串口平台设备的数据结构

在内核代码中查找字符“serial8250”，可以在arch/arm/mach-s3c2410/mach-bast.c中看到如下代码：

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static struct plat_serial8250_port bast_sio_data[] = {
...
};

static struct platform_device bast_sio = {
    .name   = "serial8250",
    .id     = PLAT8250_DEV_PLATFORM,
    .dev    = {
        .platform_data  =   &bast_sio_data,
    },
};
...
static struct platform_device *bast_devices[] _initdata = {
...
    &bast_sio,
};

在arch/arm/plat-s3c24xx/common-smdk.c中仿照mach-bast.c文件增加如下3段代码。增加的代码如下，它们都使用宏CONFIG_SERIAL_EXTEND_S3C24XX包含起来：

  1. 增加要包含的头文件

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    #ifndef CONFIG_SERIAL_EXTEND_S3C24XX
    #include <linux/serial_8250.h>
    #endif

  2. 增加平台设备数据结构

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    //for extend serial chip
    #ifdef CONFIG_SERIAL_EXTEND_S3C24XX
    static struct plat_serial8250_port s3c_device_8250_data[] = {
        [0] = {
            .mapbase    = 0x28000000,
            .irq        = IRQ_EINT18,
            .flag       = (UPF_BOOT_AUTOCONF | UPF_IOREMAP | UPF_SHARE_IRQ),
            .iotype     = UPIO_MEM,
            .regshift   = 0,
            .uartclk    = 115200 * 16,
        },
        [1] = {
            .mapbase    = 0x29000000,
            .irq        = IRQ_EINT17,
            .flag       = (UPF_BOOT_AUTOCONF | UPF_IOREMAP | UPF_SHARE_IRQ),
            .iotype     = UPIO_MEM,
            .regshift   = 0,
            .uartclk    = 115200 * 16,
        },
        {}
    };

    static struct platform_device s3c_device_8250 = {
        .name   = "serial8250",
        .id     = 0,
        .dev    = {
            .platform_data  =   &s3c_device_8250_data,
        },
    };

    #endif

    s3c_device_8250_data结构定义了两个数组项，表示16C2550芯片中的两个串口。数组项0表示扩展串口A，数组项1表示扩展串口B。
    .mapbase = 0x28000000表示串口A的访问基址，这是物理地址。
    .irq = IRQ_EINT18指定串口A使用的中断号为IRQ_EINT18，由电路连接图可知道。
    UPF_BOOT_AUTOCONF表示自动配置串口，即自动检测它的类型、FIFO大小等；UPF_IOREMAP表示需要将前面使用的.mapbase = 0x28000000指定的物理地址映射为虚拟地址，然后才能使用这个虚拟地址来访问串口A；UPF_SHARE_IRQ表示IRQ_EINT18是个共享中断。
    .iotype = UPIO_MEM表示使用“内存地址”（就是mapbase映射后的地址）来访问串口A，与之对应的有UPIO_HUB6、UPIO_RM9000等，它们读写串口芯片的方式有所不同。
    .regshift = 0用来计算串口的寄存器地址。串口的寄存器都有特定的序号，比如发送/接收寄存器（TX/RX）序号为0，中断使能寄存器（IER）序号为1。假设mapbase映射后的地址为membase，寄存器序号为index，则它的访问地址为：membase + (index << regshift)。由电路连接图可知，S3C2410/S3C2440与16C2550的连接的总线宽度为8，所以regshift为0；如果总线宽度为16，则regshift为1；如果总线宽度为32，则regshift为2。
    .uartclk = 115200 * 16表示串口A的时钟。此值计算方法为：假设为了设置串口波特率为baud，需要往串口的商数寄存器写入数值quot=uart/(baudx16)。从16C2550的芯片手册可知quot的计算公式为

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    divisor(decimal) = (XTAL1 clock frequency) / (serial data rate x 16)

    由电路连接图可知，晶振频率为1.8432MHz，所以：

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    uartclk = (XTAL1 clock frequency) = 1.8432M = 115200 * 16

    串口B与串口A类似，不再赘述。
    s3c_device_8250(platform_device类型的数据结构)，它的名字为“serial8250”，这与drivers/serial/8250.c中的平台驱动程序serial8250_isa_driver相对应。

  3. 加入内核设备列表
    把平台设备s3c_device_8250加入smdk_devs数组后，系统启动时会把这个数组中的设备注册进内核中。增加的代码如下：

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    static struct platform_device __initdata *smdk_devs[] = {
        &s3c_device_nand,
    ...
    #ifdef CONFIG_SERIAL_EXTEND_S3C24XX
        &s3c_device_8250,
    #endif
    };

    现在，平台设备的数据结构已经设置好。

增加开发板相关的代码使得串口可用

这一步需要实现两点：设置相关的存储控制器以适当的位宽访问串口芯片，注册中断时指明合适的触发方式。这需要在drivers/serial/8250.c中增加代码。

  1. 增加头文件
    设置存储控制器的BANK5时需要用到这个头文件，代码如下：
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    //for extend serial chip,
    #ifdef CONFIG_SERIAL_EXTEND_S3C24xx
    #include <asm/arch-s3c2410/regs-mem.h>
    #endif
  2. 设置存储控制器的BANK5的位宽
    由电路原理图可知，16C2550扩展串口芯片需要以8位的总线宽度进行访问，我们在drivers/serial/8250.c的初始化函数前面进行设置，如下所示：
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    static int __init serial8250_init(void)
    {
    	int ret, i;

    	if (nr_uarts > UART_NR)
    		nr_uarts = UART_NR;

    	printk(KERN_INFO "Serial: 8250/16550 driver $Revision: 1.90 $ "
    		"%d ports, IRQ sharing %sabled\n", nr_uarts,
    		share_irqs ? "en" : "dis");

    #ifdef CONFIG_SERIAL_EXTEND_S3C24XX
        //设置BANK5的位宽为8
        *((volatile unsigned int *)S3C2410_BWSCON) =    \
        ((*((volatile unsigned int *)S3C2410_BWSCON)) & ~(3 << 20)) | S3C2410_BWSCON_DW5_8;
    #endif
    }
  3. 注册中断处理程序时，指定触发方式
    由电路原理图可知，16C2550扩展串口芯片的INTA、INTB中断信号为高电平有效。低电平有效的信号在电路原理图中一般都在前面加上字母“n”，或者加上上划线，比如图中的nIOR、nIOW等信号表示低电平有效。
    所以需要将INTA、INTB指定为上升沿触发（指定为高电平触发也可以），在drivers/serial/8250.c文件中调用request_irq函数之前增加如下代码
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    static int serial_link_irq_chain(struct uart_8250_port *up)
    {
    ...
    #ifdef CONFIG_SERIAL_EXTEND_S3C24XX
        irq_flags |= IRQF_TRIGGER_RISING;   //中断触发方式为上升沿触发
    #endif
        ret = request_irq(up->port.irq, serial8250_interrupt, 
        irq_flags, "serial", i);
    ...
    }

增加内核配置项 CONFIG_SERIAL_EXTEND_S3C24XX

在内核文件drivers/serial/Kconfig中增加如下几行：

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config CONFIG_SERIAL_EXTEND_S3C24XX
    bool "Extend UART for S3C24XX DEMO Board"
    depends on SERIAL_8250=y
    --help--
        Say Y here to use the extend UART

测试扩展串口

准备工作

首先配置内核，选中配置项CONFIG_SERIAL_EXTEND_S3C24XX。执行“make menuconfig”后，如下选择：

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Device Drivers --->
    Character devices --->
        Serial drivers --->
            <*> 8250/16550 and compatible serial support
            ...
            [*] Extend UART for S3C24XX DEMO board

然后执行“make uImage”编译内核，这将在内核arch/arm/boot目录下生成内核映像文件uImage。
最后修改开发板根文件系统，步骤如下。

  1. 如果不使用mdev，如下增加ttyS0，ttyS1设备文件；如果使用mdev，这步可以省略。
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    mknod  /dev/ttyS0 c 4 64
    mknod  /dev/ttyS1 c 4 64
  2. 修改/etc/inittab文件，增加如下代码。
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    ttyS0::askfirst:-/bin/sh

测试扩展串口

使用新内核、新的根文件系统启动系统，然后原来的控制台下执行如下命令，可以看到检测到了两个串口。

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cat /proc/tty/driver/serial
serinfo:1.0 driver revision:
0: uart:16550A mmio:0x28000000 irq:62 mmbase 0xC486A000 tx:0 rx:0
1: uart:16550A mmio:0x29000000 irq:61 mmbase 0xC486C000 tx:0 rx:0

将第一个扩展串口连接到主机上、将主机的串口设为（9600，8N1）后，就可以通过这个扩展串口来控制系统了。
如果想设置串口的默认波特率为115200，可以参加如下修改内核文件drivers/serial/serial_core.c。

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int uart_register_driver(struct uart_driver *drv)
{
...
    normal->init_termios.c_cflag = B9600 | CS8 | CREAD | HUPCL | CLOCAL;
改为：
    normal->init_termios.c_cflag = B115200 | CS8 | CREAD | HUPCL | CLOCAL;
}