它以其简单、可靠和广泛支持的特性，成为各种设备间数据传输的首选方案
而在Linux系统中，UART驱动的开发和配置则是实现设备通信的重要一环
本文将深入探讨Linux UART驱动的工作原理、关键数据结构以及驱动开发的步骤，以期为开发者提供一份全面且详细的指南
一、UART驱动概述 UART驱动总体可分为三层：用户层、内核层和硬件层
用户层提供/dev/ttyS接口用于读写UART数据
内核层则分为tty和UART两部分，其中UART又分为UART核心和UART控制器驱动
UART核心主要用于注册UART驱动的接口，而UART驱动则负责操作UART控制器
硬件层则是SoC上的UART控制器
Linux内核中的设备模型采用了总线-设备-驱动的结构，通过总线来管理设备和驱动之间的关系
UART设备通常连接在串行总线上，并由对应的UART驱动程序进行管理
这一架构不仅提高了系统的灵活性和可扩展性，还为开发者提供了清晰的开发路径
二、关键数据结构 在Linux UART驱动开发中，有几个关键的数据结构是不可或缺的
它们定义了UART驱动的核心功能和操作接口
1.struct uart_driver： - 用于注册UART的结构体，所有UART控制器共用一个uart_driver
- 包含模块所属者（owner）、驱动名字（driver_name）、设备名字（dev_name）、主设备号（major）、次设备号（minor）、设备数（nr）等基本信息
- 还包含指向uart_state和tty_driver的指针，用于进一步的管理和配置
2.struct uart_port： - 代表一个串口，包含串口的I/O端口或I/O内存地址、FIFO大小、端口类型等信息
- 包含操作函数指针（ops），这些函数定义了具体的驱动操作，如发送、接收、设置控制模式等
3.struct uart_ops： - 包含了UART框架中具体的驱动函数，Linux系统收发数据最终调用的都是ops中的函数
- 包括tx_empty（测试发送缓存是否为空）、set_mctrl（设置调制解调器控制）、get_mctrl（获取调制解调器控制）等函数指针
4.struct uart_state： - 包含uart_port和tty_port，以及其他一些状态信息
- 用于管理串口的状态和资源配置
这些数据结构共同构成了Linux UART驱动的核心框架，为开发者提供了灵活且强大的驱动开发能力
三、驱动开发步骤 编写Linux系统下的UART驱动程序需要熟悉Linux内核的设备模型和字符设备驱动框架，掌握对设备的注册与管理、寄存器的访问以及中断处理的方法
以下是UART驱动开发的基本步骤： 1.注册UART设备： - 通过调用register_chrdev函数注册一个字符设备，并返回分配的设备号
- 使用uart_register_driver函数注册uart_driver结构体，将UART驱动添加到内核中
2.实现file_operations结构体： - 在open、release、read、write等函数中编写对应的操作代码
- UART驱动的read和write函数主要用于数据的接收和发送
3.访问硬件寄存器： - 通过ioremap函数映射硬件的寄存器地址到内存空间中
- 通过读写操作来控制UART设备的配置和数据传输
4.设置中断处理函数： - 处理接收和发送数据时的中断事件
- 在中断处理函数中，调用相应的UART操作函数来处理数据
5.适配不同硬件平台： - 针对不同的硬件平台和CPU架构，编写UART驱动程序时需要考虑到对应的驱动适配性
- 确保驱动能够在不同的硬件平台上正常工作
四、虚拟串口驱动实例 为了更深入地理解UART驱动的开发，我们以一个虚拟串口驱动的实例来说明
虚拟串口驱动提供了两个串口实例，串口名称的前缀为vttyU
为了验证串口收发，提供了loopback机制，即应用程序向虚拟串口写入数据后，数据再回环至应用程序
1.创建platform device和platform driver： - 创建两个platform device，分别对应两个虚拟串口的platform device
- 创建一个platform driver，在probe接口中完成虚拟串口的注册，主要是调用uart_add_one_port接口完成虚拟串口的注册
在remove接口中完成虚拟串口的注销
2.定义数据结构： - 定义virtual_uart_port数据结构，包含uart_port以及其他一些控制变量
- 定义virtual_uart_driver数据结构，指定支持的串口个数、设备名前缀等信息
3.实现操作接口： - 实现tx_empty、stop_tx、start_tx等UART操作接口
- 在虚拟串口中，通过工作队列模拟串口发送中断的功能
4.模拟串口接收功能： - 在tty port对应的device中，定义模拟串口接收数据的属性文件
- 当用户向该属性文件中写数据时，将写入的数据发送到tty_port的接收缓存中，并通过调用tty_flip_buffer_push接口，将数据刷新到tty_struct的接收缓存中
通过这一实例，我们可以看到虚拟串口驱动的开发过程，以及如何通过Linux UART驱动框架来实现串口通信的功能
五、总结 Linux UART驱动的开发是一项复杂而重要的任务
通过深入了解UART驱动的工作原理、关键数据结构以及驱动开发的步骤，我们可以更好地掌握这一技术，并在实际项目中灵活应用
无论是开发嵌入式系统还是进行设备通信，Linux UART驱动都为我们提供了强大的支持和保障
希望本文能够为广大开发者提供一份有价值的参考和指南，助力大家在UART驱动开发的道路上越走越远
