Linux 串口驱动，原理与实现

在现代嵌入式系统中，串行通信接口（如 UART、RS-232 等）仍然是许多设备之间进行数据传输的重要手段，Linux 作为广泛使用的操作系统，提供了强大的支持和灵活的驱动程序来管理这些串行接口，本文将详细介绍 Linux 串口驱动的原理、结构和实现方法，帮助读者理解如何在 Linux 系统中开发和调试串口驱动。

1. 串口基础知识

1.1 串行通信概述

串行通信是一种数据传输方式，其中数据一位接一位地在单根导线上发送或接收，常见的串行通信协议包括 UART（通用异步收发传输器）、RS-232、RS-485 等，这些协议通常用于低速、短距离的数据传输，广泛应用于嵌入式系统、工业控制和计算机外设等领域。

1.2 UART 基本原理

UART 是一种常用的串行通信接口，它通过两根信号线（TX 和 RX）实现数据的发送和接收，UART 的主要功能包括：

数据帧格式：定义了数据的起始位、停止位、校验位和数据位。

波特率：每秒传输的比特数，决定了数据传输的速度。

中断机制：用于通知 CPU 数据已准备好发送或接收。

2. Linux 串口驱动架构

2.1 驱动程序层次结构

Linux 内核中的串口驱动程序通常分为以下几个层次：

硬件抽象层（HAL）：直接与硬件交互，负责初始化和配置硬件寄存器。

中间层：提供通用的串口操作函数，如open、close、read、write 等。

用户空间接口：通过字符设备文件（如/dev/ttyS0）与用户空间应用程序进行交互。

2.2 主要数据结构

struct uart_port：表示一个 UART 端口的基本信息，包括寄存器基地址、波特率、中断号等。

struct uart_driver：表示一个 UART 驱动程序，包含设备注册、打开、关闭等函数指针。

struct tty_driver：表示一个 TTY 驱动程序，用于管理 TTY 设备的创建和销毁。

3. 串口驱动的实现步骤

3.1 初始化和注册

1、定义struct uart_port 结构体：

   static struct uart_port my_uart_port = {
       .iotype = UPIO_MEM,
       .membase = (void __iomem *)UART_BASE_ADDR,
       .irq = UART_IRQ,
       .uartclk = UART_CLOCK,
       .fifosize = UART_FIFO_SIZE,
       .line = 0,
       .ops = &my_uart_ops,
       .flags = UPF_BOOT_AUTOCONF,
       .mapbase = UART_BASE_ADDR,
   };

2、定义struct uart_driver 结构体：

   static struct uart_driver my_uart_driver = {
       .owner = THIS_MODULE,
       .driver_name = "my_uart",
       .dev_name = "ttyMY",
       .major = 0,
       .minor = 0,
       .nr = 1,
       .cons = NULL,
   };

3、实现uart_ops 操作函数：

   static const struct uart_ops my_uart_ops = {
       .tx_empty = my_uart_tx_empty,
       .set_mctrl = my_uart_set_mctrl,
       .get_mctrl = my_uart_get_mctrl,
       .stop_tx = my_uart_stop_tx,
       .start_tx = my_uart_start_tx,
       .stop_rx = my_uart_stop_rx,
       .enable_ms = my_uart_enable_ms,
       .break_ctl = my_uart_break_ctl,
       .startup = my_uart_startup,
       .shutdown = my_uart_shutdown,
       .type = my_uart_type,
       .release_port = my_uart_release_port,
       .request_port = my_uart_request_port,
       .config_port = my_uart_config_port,
       .verify_port = my_uart_verify_port,
       .set_termios = my_uart_set_termios,
   };

4、注册驱动程序：

   static int __init my_uart_init(void) {
       int ret;
       ret = uart_register_driver(&my_uart_driver);
       if (ret) {
           pr_err("Failed to register UART driver\n");
           return ret;
       }
       ret = uart_add_one_port(&my_uart_driver, &my_uart_port);
       if (ret) {
           pr_err("Failed to add UART port\n");
           uart_unregister_driver(&my_uart_driver);
           return ret;
       }
       pr_info("UART driver registered successfully\n");
       return 0;
   }
   static void __exit my_uart_exit(void) {
       uart_remove_one_port(&my_uart_driver, &my_uart_port);
       uart_unregister_driver(&my_uart_driver);
       pr_info("UART driver unregistered\n");
   }
   module_init(my_uart_init);
   module_exit(my_uart_exit);
   MODULE_LICENSE("GPL");
   MODULE_AUTHOR("Your Name");
   MODULE_DESCRIPTION("A simple UART driver for Linux");

3.2 中断处理

1、定义中断处理函数：

   static irqreturn_t my_uart_irq(int irq, void *dev_id) {
       struct uart_port *port = dev_id;
       unsigned int status, ch;
       status = readl(port->membase + UART_STATUS_REG);
       if (status & UART_RX_READY) {
           ch = readl(port->membase + UART_DATA_REG);
           uart_insert_char(port, 0, 0, ch, TTY_NORMAL);
           tty_flip_buffer_push(&port->state->port);
       }
       if (status & UART_TX_READY) {
           if (uart_circ_empty(&port->state->xmit)) {
               my_uart_stop_tx(port);
           } else {
               ch = uart_read_char(&port->state->xmit);
               writel(ch, port->membase + UART_DATA_REG);
           }
       }
       return IRQ_HANDLED;
   }

2、注册中断：

   static int my_uart_startup(struct uart_port *port) {
       int ret;
       ret = request_irq(port->irq, my_uart_irq, 0, "my_uart", port);
       if (ret) {
           pr_err("Failed to request IRQ\n");
           return ret;
       }
       /* Enable UART interrupts */
       writel(UART_RX_IRQ | UART_TX_IRQ, port->membase + UART_INT_ENABLE_REG);
       return 0;
   }

3.3 用户空间接口

1、创建设备节点：

在驱动程序注册成功后，内核会自动创建相应的设备节点（如/dev/ttyMY0），用户空间程序可以通过这些节点进行读写操作。

2、示例用户空间程序：

   #include <stdio.h>
   #include <fcntl.h>
   #include <unistd.h>
   #include <termios.h>
   int main() {
       int fd;
       struct termios options;
       fd = open("/dev/ttyMY0", O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY);
       if (fd == -1) {
           perror("Failed to open serial port");
           return -1;
       }
       tcgetattr(fd, &options);
       cfsetispeed(&options, B9600);
       cfsetospeed(&options, B9600);
       options.c_cflag |= (CLOCAL | CREAD);
       options.c_cflag &= ~PARENB;
       options.c_cflag &= ~CSTOPB;
       options.c_cflag &= ~CSIZE;
       options.c_cflag |= CS8;
       options.c_lflag &= ~(ICANON | ECHO | ECHOE | ISIG);
       options.c_oflag &= ~OPOST;
       options.c_cc[VMIN] = 1;
       options.c_cc[VTIME] = 0;
       tcsetattr(fd, TCSANOW, &options);
       write(fd, "Hello, UART!\n", 13);
       char buffer[256];
       ssize_t bytes_read = read(fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);
       if (bytes_read > 0) {
           buffer[bytes_read] = '\0';
           printf("Received: %s\n", buffer);
       }
       close(fd);
       return 0;
   }

4. 调试和测试

4.1 日志输出

使用pr_info、pr_debug、pr_err 等宏来输出调试信息，帮助定位问题。

pr_info("UART driver initialized\n");

4.2 使用dmesg 查看日志

在用户空间运行dmesg 命令可以查看内核日志，检查驱动程序的输出信息：

dmesg

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