Linux-串口驱动实验

串口是很常用的一个外设，在 Linux 下通常通过串口和其他设备或传感器进行通信，根据电平的不同，串口分为 TTL 和 RS232。不管是什么样的接口电平，其驱动程序都是一样的，通过外接 RS485 这样的芯片就可以将串口转换为 RS485 信号，正点原子的 I.MX6U-ALPHA 开发板就是这么做的。对于正点原子的 I.MX6U-ALPHA 开发板而言， RS232、RS485 以及 GPS 模块接口通通连接到了 I.MX6U 的 UART3 接口上，因此这些外设最终都归结为 UART3 的串口驱动。本章我们就来学习一下如何驱动 I.MX6U-ALPHA 开发板上的 UART3 串口。

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Linux 下 UART 驱动框架

1、uart_driver 注册与注销

同 I2C、SPI 一样，Linux 也提供了串口驱动框架，我们只需要按照相应的串口框架编写驱动程序即可。串口驱动没有什么主机端和设备端之分，就只有一个串口驱动，而且这个驱动也已经由 NXP 官方已经编写好了，我们真正要做的就是在设备树中添加所要使用的串口节点信息。当系统启动以后串口驱动和设备匹配成功，相应的串口就会被驱动起来，生成/dev/ttymxcX(X=0….n)文件。

虽然串口驱动不需要我们去写，但是串口驱动框架我们还是需要了解的，uart_driver 结构体表示 UART 驱动，uart_driver 定义在 include/linux/serial_core.h 文件中，内容如下：

每个串口驱动都需要定义一个 uart_driver，加载驱动的时候通过 uart_register_driver 函数向系统注册这个 uart_driver，此函数原型如下：

int uart_register_driver(struct uart_driver *drv)

函数参数和返回值含义如下：

drv：要注册的 uart_driver。

返回值：0，成功；负值，失败。

注销驱动的时候也需要注销掉前面注册的 uart_driver，需要用到 uart_unregister_driver 函数，

函数原型如下：

void uart_unregister_driver(struct uart_driver *drv)

函数参数和返回值含义如下：

drv：要注销的 uart_driver。

返回值：无。

2、uart_port 的添加与移除

uart_port 表示一个具体的 port，uart_port 定义在 include/linux/serial_core.h 文件，内容如下 (有省略)：

uart_port 中最主要的就是第 235 行的 ops，ops 包含了串口的具体驱动函数，这个我们稍后再看。每个 UART 都有一个 uart_port，那么 uart_port 是怎么和 uart_driver 结合起来的呢？这里要用到 uart_add_one_port 函数，函数原型如下：

int uart_add_one_port(struct uart_driver *drv, struct uart_port *uport)

函数参数和返回值含义如下：

drv：此 port 对应的 uart_driver。

uport：要添加到 uart_driver 中的 port。

返回值：0，成功；负值，失败。

卸载 UART 驱动的时候也需要将 uart_port 从相应的 uart_driver 中移除，需要用到

uart_remove_one_port 函数，函数原型如下：

int uart_remove_one_port(struct uart_driver *drv, struct uart_port *uport)

函数参数和返回值含义如下：

drv：要卸载的 port 所对应的 uart_driver。

uport：要卸载的 uart_port。

返回值：0，成功；负值，失败。

3、uart_ops 实现

在上面讲解 uart_port 的时候说过，uart_port 中的 ops 成员变量很重要，因为 ops 包含了针对 UART 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。ops 是 uart_ops类型的结构体指针变量，uart_ops 定义在 include/linux/serial_core.h 文件中，内容如下：

UART 驱动编写人员需要实现 uart_ops，因为 uart_ops 是最底层的 UART 驱动接口，是实实在在的和 UART 寄存器打交道的。关于 uart_ops 结构体中的这些函数的具体含义请参考 Documentation/serial/driver 这个文档。

UART 驱动框架大概就是这些，接下来我们理论联系实际，看一下 NXP 官方的 UART 驱动文件是如何编写的。

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I.MX6U UART 驱动分析

1、UART 的 platform 驱动框架

打开 imx6ull.dtsi 文件，找到 UART3 对应的子节点，子节点内容如下所示：

重点看一下第 2，3 行的 compatible 属性，这里一共有三个值：“fsl,imx6ul-uart”、“fsl,imx6q-uart”和“fsl,imx21-uart”。在 linux 源码中搜索这三个值即可找到对应的 UART 驱动文件，此文件为 drivers/tty/serial/imx.c，在此文件中可以找到如下内容：

可以看出 I.MX6U 的 UART 本质上是一个 platform 驱动，第 267~280 行，imx_uart_devtype为传统匹配表。

第 283~288 行，设备树所使用的匹配表，第 284 行的 compatible 属性值为“fsl,imx6q-uart”。

第 2071~2082 行，platform 驱动框架结构体 serial_imx_driver。

第 2084~2096 行，驱动入口函数，第 2086 行调用 uart_register_driver 函数向 Linux 内核注册 uart_driver，在这里就是 imx_reg。

第 2098~2102 行，驱动出口函数，第 2101 行调用 uart_unregister_driver 函数注销掉前面注册的 uart_driver，也就是 imx_reg。

2、uart_driver 初始化

在 imx_serial_init 函数中向 Linux 内核注册了 imx_reg，imx_reg 就是 uart_driver 类型的结构体变量，imx_reg 定义如下：

3、uart_port 初始化与添加

当 UART 设备和驱动匹配成功以后 serial_imx_probe 函数就会执行，此函数的重点工作就是初始化 uart_port，然后将其添加到对应的 uart_driver 中。在看 serial_imx_probe 函数之前先来看一下 imx_port 结构体，imx_port 是 NXP 为 I.MX 系列 SOC 定义的一个设备结构体，此结构体内部就包含了 uart_port 成员变量，imx_port 结构体内容如下所示(有缩减)：

第 217 行，uart_port 成员变量 port。

接下来看一下 serial_imx_probe 函数，函数内容如下：

第 1971 行，定义一个 imx_port 类型的结构体指针变量 sport。

第 1977 行，为 sport 申请内存。

第 1987~1988 行，从设备树中获取 I.MX 系列 SOC UART 外设寄存器首地址，对于I.MX6ULL 的 UART3 来说就是 0X021EC000。得到寄存器首地址以后对其进行内存映射，得到对应的虚拟地址。

第 1992~1994 行，获取中断信息。

第 1996~2034 行，初始化 sport，我们重点关注的就是第 2003 行初始化 sport 的 port 成员变量，也就是设置 uart_ops 为 imx_pops，imx_pops 就是 I.MX6ULL 最底层的驱动函数集合，稍后再来看。

第 2040~2055 行，申请中断。

第 2061 行，使用 uart_add_one_port 向 uart_driver 添加 uart_port，在这里就是向 imx_reg 添加 sport->port。

4、imx_pops 结构体变量

imx_pops 就是 uart_ops 类型的结构体变量，保存了 I.MX6ULL 串口最底层的操作函数，imx_pops 定义如下：

imx_pops 中的函数基本都是和 I.MX6ULL 的 UART 寄存器打交道的，这里就不去详细的分析了。简单的了解了 I.MX6U 的 UART 驱动以后我们再来学习一下，如何驱动正点原子I.MX6U-ALPHA 开发板上的 UART3 接口。

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RS232 驱动编写

前面我们已经说过了，I.MX6U 的 UART 驱动 NXP 已经编写好了，所以不需要我们编写。

我们要做的就是在设备树中添加 UART3 对应的设备节点即可。打开 imx6ull-alientek-emmc.dts文件，在此文件中只有 UART1 对应的 uart1 节点，并没有 UART3 对应的节点，因此我们可以参考 uart1 节点创建 uart3 节点。

1、UART3 IO 节点创建

UART3 用到了UART3_TXD 和UART3_RXD 这两个IO，因此要先在 iomuxc 中创建UART3对应的 pinctrl 子节点，在 iomuxc 中添加如下内容：

最后检查一下 UART3_TX 和 UART3_RX 这两个引脚有没有被用作其他功能，如果有的话要将其屏蔽掉，保证这两个 IO 只用作 UART3，切记！！！

2、添加 uart3 节点

默认情况下 imx6ull-alientek-emmc.dts 中只有 uart1 和 uart2 这两个节点，如图 63.4.1 所示：

uart1 是 UART1 的，在正点原子的 I.MX6U-ALPHA 开发板上没有用到 UART2，而且 UART2默认用到了 UART3 的 IO，因此需要将 uart2 这个节点删除掉，然后加上 UART3 对应的 uart3，uart3 节点内容如下：

完成以后重新编译设备树并使用新的设备树启动 Linux，如果设备树修改成功的话，系统启动以后就会生成一个名为“/dev/ttymxc2”的设备文件，ttymxc2 就是 UART3 对应的设备文件，应用程序可以通过访问 ttymxc2 来实现对 UART3 的操作。

补充

为什么串口的操作函数是struct uart_ops 而不是struct file_operations

串口（UART，Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）驱动的操作函数使用 struct uart_ops 而不是 struct file_operations，主要是因为串口驱动的设计需要满足以下需求：

1. 串口驱动的分层设计

串口驱动在内核中分为两层：

上层：与用户空间交互的部分，使用 struct file_operations。

下层：与硬件交互的部分，使用 struct uart_ops。

这种分层设计使得串口驱动可以更好地分离硬件操作和用户接口，提高代码的模块化和可维护性。

2. struct uart_ops 的作用

struct uart_ops 是串口驱动与硬件交互的核心结构体，它定义了串口控制器硬件的操作函数。这些函数包括：

启动和停止串口传输。

配置串口参数（如波特率、数据位、停止位等）。

读取和写入数据。

处理中断。

这些操作是硬件相关的，通常由串口控制器驱动实现。

3. struct file_operations 的作用

struct file_operations 是字符设备驱动的标准接口，用于与用户空间交互。对于串口设备，struct file_operations 的实现通常由 TTY 子系统提供，而不是由具体的串口驱动实现。

TTY 子系统是 Linux 内核中用于管理终端设备的框架，它负责：

提供统一的用户接口（如 /dev/ttyS0）。

处理用户空间的系统调用（如 read、write、ioctl 等）。

将用户空间的操作转换为对底层串口驱动的调用。

4. 为什么串口驱动不直接使用 struct file_operations

硬件操作与用户接口分离：

  串口驱动需要处理硬件相关的操作（如配置波特率、处理中断等），这些操作与用户空间的接口无关。

  通过 struct uart_ops，串口驱动可以专注于硬件操作，而用户接口由 TTY 子系统统一管理。

复用 TTY 子系统的功能：

  TTY 子系统已经实现了与用户空间交互的大部分功能（如行规范、缓冲、信号处理等）。

  如果串口驱动直接使用 struct file_operations，就需要重新实现这些功能，导致代码冗余。

支持多种设备类型：

  TTY 子系统不仅支持串口设备，还支持伪终端（PTY）、控制台（Console）等设备。

  通过 struct uart_ops，串口驱动可以无缝集成到 TTY 子系统中，与其他设备共享相同的用户接口。

5. 串口驱动的工作流程

用户空间操作：

1.   用户程序通过 /dev/ttyS0 等设备文件访问串口。

1.   系统调用（如 open、read、write）由 TTY 子系统处理。

TTY 子系统：

1.   TTY 子系统调用底层串口驱动的 struct uart_ops 函数来完成硬件操作。

1.   例如，当用户调用 write 时，TTY 子系统会调用 struct uart_ops 中的 start_tx 函数来启动数据传输。

串口驱动：

1.   串口驱动实现 struct uart_ops 中的函数，直接操作硬件。

1.   例如，start_tx 函数会将数据写入串口控制器的发送寄存器。