2018年（8）
分类： LINUX
2018-11-17 18:35:49
之前本人在"从串口驱动的移植看linux2.6内核中的驱动模型 platform device & platform driver"一文中已经写到了移植的设备是如何通过platform总线来与对应的驱动挂载。
在这期间有一个问题困扰着我，那就是来自用户空间的针对uart设备的操作意图是如何通过tty框架逐层调用到uart层的core驱动，进而又是如何调用到真实对应于设备的设备驱动的，本文中的对应设备驱动就是8250驱动，最近我想将这方面的内容搞清楚。
在说明这一方面问题之前我们先要大致了解两个基本的框架结构，tty框架和uart框架。
首先看看tty框架：
在linux系统中，tty表示各种终端。终端通常都跟硬件相对应。比如对应于输入设备键盘鼠标，输出设备显示器的控制终端和串口终端。
下面这张图是一张很经典的图了，很清楚的展现了tty框架的层次结构，大家先看图，下面给大家解释。
最上面的用户空间会有很多对底层硬件（在本文中就是8250uart设备）的操作，像read，write等。用户空间主要是通过设备文件同 tty_core交互，tty_core根据用空间操作的类型再选择跟line discipline和tty_driver也就是serial_core交互，例如设置硬件的ioctl指令就直接交给serial_core处理。 Read和write操作就会交给line discipline处理。Line discipline是线路规程的意思。正如它的名字一样，它表示的是这条终端”线程”的输入与输出规范设置，主要用来进行输入/输出数据的预处理。处理 之后，就会将数据交给serial_core，最后serial_core会调用8250.c的操作。
下图是同一样一副经典的uart框架图，将uart重要的结构封装的很清楚，大家且看。
一个uart_driver通常会注册一段设备号.即在用户空间会看到uart_driver对应有多个设备节点。例如:
/dev/ttyS0 /dev/ttyS1 每个设备节点是对应一个具体硬件的,这样就可做到对多个硬件设备的统一管理，而每个设备文件应该对应一个uart_port，也就 是说:uart_device要和多个uart_port关系起来。并且每个uart_port对应一个circ_buf（用来接收数据）,所以 uart_port必须要和这个缓存区关系起来。
1 自底向上
接下来我们就来看看对设备的操作是怎样进行起来的，不过在此之前我们有必要从底层的uart驱动注册时开始说起，这样到后面才能更清晰。
这里我们讨论的是8250驱动，在驱动起来的时候调用了uart_register_driver(&serial8250_reg);函数将参数serial8250_reg注册进了tty层。具体代码如下所示：
int uart_register_driver(struct uart_driver *drv)
{
struct tty_driver *normal = NULL;
int i, retval;
BUG_ON(drv->state);
/*
* Maybe we should be using a slab cache for this, especially if
* we have a large number of ports to handle.
*/
drv->state = kzalloc(sizeof(struct uart_state) * drv->nr, GFP_KERNEL);
retval = -ENOMEM;
if (!drv->state)
goto out;
normal = alloc_tty_driver(drv->nr);
if (!normal)
goto out;
drv->tty_driver = normal;
normal->owner = drv->owner;
normal->driver_name = drv->driver_name;
normal->name = drv->dev_name;
normal->major = drv->major;
normal->minor_start = drv->minor;
normal->type = TTY_DRIVER_TYPE_SERIAL;
normal->subtype = SERIAL_TYPE_NORMAL;
normal->init_termios = tty_std_termios;
normal->init_termios.c_cflag = B9600 | CS8 | CREAD | HUPCL | CLOCAL;
normal->init_termios.c_ispeed = normal->init_termios.c_ospeed = 9600;
normal->flags = TTY_DRIVER_REAL_RAW | TTY_DRIVER_DYNAMIC_DEV;
normal->driver_state = drv; // here is important for me, ref uart_open function in this file
tty_set_operations(normal, &uart_ops);
/*
* Initialise the UART state(s).
*/
for (i = 0; i < drv->nr; i++) {
struct uart_state *state = drv->state + i;
state->close_delay = 500; /* .5 seconds */
state->closing_wait = 30000; /* 30 seconds */
mutex_init(&state->mutex);
tty_port_init(&state->info.port);
init_waitqueue_head(&state->info.delta_msr_wait);
tasklet_init(&state->info.tlet, uart_tasklet_action,
(unsigned long)state);
}
retval = tty_register_driver(normal);
out:
if (retval < 0) {
put_tty_driver(normal);
kfree(drv->state);
}
return retval;
}
从上面代码可以看出，uart_driver中很多数据结构其实就是tty_driver中的，将数据转换为tty_driver之后,注册tty_driver。然后初始化uart_driver->state的存储空间。
这里有两个地方我们需要特别关注：
第一个是
normal->driver_state = drv;
为什么说重要呢，因为真实这一句将参数的ops关系都赋给了serial_core层。也就是说在后面serial_core会根据 uart_ops关系找到我们的8250.c中所对应的操作，而我们参数中的ops是在哪被赋值的呢？这个一定是会在8250.c中不会错，所以我定位到 了8250.c中的serial8250_ops结构体，初始化如下：
static struct uart_ops serial8250_pops = {
.tx_empty = serial8250_tx_empty,
.set_mctrl = serial8250_set_mctrl,
.get_mctrl = serial8250_get_mctrl,
.stop_tx = serial8250_stop_tx,
.start_tx = serial8250_start_tx,
.stop_rx = serial8250_stop_rx,
.enable_ms = serial8250_enable_ms,
.break_ctl = serial8250_break_ctl,
.startup = serial8250_startup,
.shutdown = serial8250_shutdown,
.set_termios = serial8250_set_termios,
.pm = serial8250_pm,
.type = serial8250_type,
.release_port = serial8250_release_port,
.request_port = serial8250_request_port,
.config_port = serial8250_config_port,
.verify_port = serial8250_verify_port,
#ifdef CONFIG_CONSOLE_POLL
.poll_get_char = serial8250_get_poll_char,
.poll_put_char = serial8250_put_poll_char,
#endif
};
这样一来只要将serial8250_ops结构体成员的值赋给我们uart_dirver就可以了，那么这个过程在哪呢？就是在 uart_add_one_port()函数中，这个函数是从 serial8250_init->serial8250_register_ports()->uart_add_one_port()逐 步调用过来的，这一步就将port和uart_driver联系起来了。
第二个需要关注的地方：
tty_set_operations(normal, &uart_ops);
此句之所以值得关注是因为.在这里将tty_driver的操作集统一设为了uart_ops.这样就使得从用户空间下来的操作可以找到正确的serial_core的操作函数，uart_ops是在serial_core.c中的：
static const struct tty_operations uart_ops = {这样就保证了调用关系的通畅。
2 自顶向下
说完了从底层注册时所需要注意的地方，现在我们来看看正常的从上到下的调用关系。tty_core是所有tty类型的驱动的顶层构架，向用户应用层 提供了统一的接口，应用层的read/write等调用首先会到达这里。此层由内核实现，代码主要分布在drivers/char目录下的 n_tty.c，tty_io.c等文件中，下面的代码：
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,
};
就是定义了此层调用函数的结构体，在uart_register_driver()函数中我们调用了每个tty类型的驱动注册时都会调用的tty_register_driver函数，代码如下：
int tty_register_driver(struct tty_driver * driver)
{
...
cdev_init(&driver->cdev, &tty_fops);
...
}
我们可以看到，此句就已经将指针调用关系赋给了cdev，以用于完成调用。在前面我们已经说过了，Read和write操作就会交给line discipline处理，我们在下面的代码可以看出调用的就是线路规程的函数：
static ssize_t tty_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count,
loff_t *ppos)
{
...
ld = tty_ldisc_ref_wait(tty);
if (ld->ops->read)
i = (ld->ops->read)(tty, file, buf, count);
//调用到了ldisc层（线路规程）的read函数
else
i = -EIO;
tty_ldisc_deref(ld);
...
}
static ssize_t tty_write(struct file *file, const char __user *buf,
size_t count, loff_t *ppos)
{
...
ld = tty_ldisc_ref_wait(tty);
if (!ld->ops->write)
ret = -EIO;
else
ret = do_tty_write(ld->ops->write, tty, file, buf, count);
tty_ldisc_deref(ld);
return ret;
}
static inline ssize_t do_tty_write(
ssize_t (*write)(struct tty_struct *, struct file *, const unsigned char *, size_t),
struct tty_struct *tty,
struct file *file,
const char __user *buf,
size_t count)
{
...
for (;;) {
size_t size = count;
if (size > chunk)
size = chunk;
ret = -EFAULT;
if (copy_from_user(tty->write_buf, buf, size))
break;
ret = write(tty, file, tty->write_buf, size);
//调用到了ldisc层的write函数
if (ret <= 0)
break;
...
}
那我们就去看看线路规程调用的是又是谁，代码目录在drivers/char/n_tty.c文件中，下面的代码是线路规程中的write函数：
static ssize_t n_tty_write(struct tty_struct *tty, struct file *file,
const unsigned char *buf, size_t nr)
{
...
add_wait_queue(&tty->write_wait, &wait);//将当前进程放到等待队列中
while (1) {
set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
if (signal_pending(current)) {
retval = -ERESTARTSYS;
break;
}
//进入此处继续执行的原因可能是被信号打断，而不是条件得到了满足。
//只有条件得到了满足，我们才会继续，否则，直接返回！
if (tty_hung_up_p(file) || (tty->link && !tty->link->count)) {
retval = -EIO;
break;
}
if (O_OPOST(tty) && !(test_bit(TTY_HW_COOK_OUT, &tty->flags))) {
while (nr > 0) {
ssize_t num = process_output_block(tty, b, nr);
if (num < 0) {
if (num == -EAGAIN)
break;
retval = num;
goto break_out;
}
b += num;
nr -= num;
if (nr == 0)
break;
c = *b;
if (process_output(c, tty) < 0)
break;
b++; nr--;
}
if (tty->ops->flush_chars)
tty->ops->flush_chars(tty);
} else {
while (nr > 0) {
c = tty->ops->write(tty, b, nr);
//调用到具体的驱动中的write函数
if (c < 0) {
retval = c;
goto break_out;
}
if (!c)
break;
b += c;
nr -= c;
}
}
if (!nr)
break;
//全部写入，返回
if (file->f_flags & O_NONBLOCK) {
retval = -EAGAIN;
break;
}
/*
假如是以非阻塞的方式打开的，那么也直接返回。否则，让出cpu，等条件满足以后再继续执行。
*/
schedule();//执行到这里，当前进程才会真正让出cpu！！！
}
break_out:
__set_current_state(TASK_RUNNING);
remove_wait_queue(&tty->write_wait, &wait);
...
}
在上面我们可以看到此句：
c = tty->ops->write(tty, b, nr);
此句很明显告诉我们这是调用了serial_core的write()函数，可是这些调用关系指针是在哪赋值的，刚开始我也是郁闷了一段时间，不过 好在我最后还是找到了一些蛛丝马迹。其实就是在tty_core进行open的时候悄悄把tty->ops指针给赋值了。具体的代码就在 driver/char/tty_io.c中，调用关系如下所示：
tty_open -> tty_init_dev -> initialize_tty_struct，initialize_tty_struct()函数的代码在下面：
void initialize_tty_struct(struct tty_struct *tty,
struct tty_driver *driver, int idx)
{
...
tty->ops = driver->ops;
...
}
可以看到啦，这里就将serial_core层的操作调用关系指针值付给了tty_core层，这样 tty->ops->write()其实调用到了具体的驱动的write函数，在这里就是我们前面说到的8250驱动中的write函数没问 题了。从这就可以看出其实在操作指针值得层层传递上open操作还是功不可没的，这么讲不仅仅是因为上面的赋值过程，还有下面这个，在open操作调用到 serial_core层的时候有下面的代码：
static int uart_open(struct tty_struct *tty, struct file *filp)
{
struct uart_driver *drv = (struct uart_driver *)tty->driver->driver_state; // here just tell me why uart_open can call 8250
struct uart_state *state;
int retval, line = tty->index;
……
uart_update_termios(state);
}
fail:
return retval;
}
在此函数的第一句我们就看到了似曾相识的东西了，没错就是我们在uart_register_driver()的时候所做的一些事情，那时我们是放进去，现在是拿出来而已。
这样一来，我们先从底层向上层分析上来后，又由顶层向底层分析下去，两头总算是接上头了。