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2018年(8)

我的朋友

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 = {
    .open        = uart_open,
    .close        = uart_close,
    .write        = uart_write,
    .put_char    = uart_put_char,
    .flush_chars    = uart_flush_chars,
    .write_room    = uart_write_room,
    .chars_in_buffer= uart_chars_in_buffer,
    .flush_buffer    = uart_flush_buffer,
    .ioctl        = uart_ioctl,
    .throttle    = uart_throttle,
    .unthrottle    = uart_unthrottle,
    .send_xchar    = uart_send_xchar,
    .set_termios    = uart_set_termios,
    .set_ldisc    = uart_set_ldisc,
    .stop        = uart_stop,
    .start        = uart_start,
    .hangup        = uart_hangup,
    .break_ctl    = uart_break_ctl,
    .wait_until_sent= uart_wait_until_sent,
#ifdef CONFIG_PROC_FS
    .read_proc    = uart_read_proc,
#endif
    .tiocmget    = uart_tiocmget,
    .tiocmset    = uart_tiocmset,
#ifdef CONFIG_CONSOLE_POLL
    .poll_init    = uart_poll_init,
    .poll_get_char    = uart_poll_get_char,
    .poll_put_char    = uart_poll_put_char,
#endif
};

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。


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