一：前言
接着前面的终端控制台分析，接下来分析serial的驱动。在linux中，serial也对应着终端，通常被称为串口终端。在shell上，我们看到的/dev/ttyS*就是串口终端所对应的设备节点。
在分析具体的serial驱动之前。有必要先分析uart驱动架构。uart是Universal Asynchronous Receiver and Transmitter的缩写。翻译成中文即为”通用异步收发器”。它是串口设备驱动的封装层。
二：uart驱动架构概貌
如下图所示：
上图中红色部份标识即为uart部份的操作。
从上图可以看到，uart设备是继tty_driver的又一层封装。实际上uart_driver就是对应tty_driver.在它的操作函数中，将操作转入uart_port.
在写操作的时候，先将数据放入一个叫做circ_buf的环形缓存区。然后uart_port从缓存区中取数据，将其写入到串口设备中。
当uart_port从serial设备接收到数据时，会将设备放入对应line discipline的缓存区中。
这样。用户在编写串口驱动的时候，只先要注册一个uart_driver.它的主要作用是定义设备节点号。然后将对设备的各项操作封装在uart_port.驱动工程师没必要关心上层的流程，只需按硬件规范将uart_port中的接口函数完成就可以了。
三：uart驱动中重要的数据结构及其关联
我们可以自己考虑下，基于上面的架构代码应该要怎么写。首先考虑以下几点：
1: 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，从上面的架构来看，每个设备文件应该对应一个uart_port.
也就是说：uart_device怎么同多个uart_port关系起来？怎么去区分操作的是哪一个设备文件？
2:每个uart_port对应一个circ_buf,所以uart_port必须要和这个缓存区关系起来
回忆tty驱动架构中。tty_driver有一个叫成员指向一个数组，即tty->ttys.每个设备文件对应设数组中的一项。而这个数组所代码的数据结构为tty_struct. 相应的tty_struct会将tty_driver和ldisc关联起来。
那在uart驱动中，是否也可用相同的方式来处理呢？
将uart驱动常用的数据结构表示如下：
结合上面提出的疑问。可以很清楚的看懂这些结构的设计。
四：uart_driver的注册操作
Uart_driver注册对应的函数为： uart_register_driver（）代码如下：
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; 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）； } 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。
这样，就会注册uart_driver->nr个设备节点。主设备号为uart_driver-> major. 开始的次设备号为uart_driver-> minor.
值得注意的是。在这里将tty_driver的操作集统一设为了uart_ops.其次，在tty_driver-> driver_state保存了这个uart_driver.这样做是为了在用户空间对设备文件的操作时，很容易转到对应的uart_driver.
另外：tty_driver的flags成员值为： TTY_DRIVER_REAL_RAW | TTY_DRIVER_DYNAMIC_DEV.里面包含有TTY_DRIVER_DYNAMIC_DEV标志。结合之前对tty的分析。如果包含有这个标志，是不会在初始化的时候去注册device.也就是说在/dev/下没有动态生成结点（如果是/dev下静态创建了这个结点就另当别论了^_^）。
流程图如下：
五： uart_add_one_port（）操作
在前面提到。在对uart设备文件过程中。会将操作转换到对应的port上，这个port跟uart_driver是怎么关联起来的呢？这就是uart_add_ont_port（）的主要工作了。
顾名思义，这个函数是在uart_driver增加一个port.代码如下：
int uart_add_one_port（struct uart_driver *drv, struct uart_port *port） { struct uart_state *state; int ret = 0; struct device *tty_dev; BUG_ON（in_interrupt（））； if （port->line >= drv->nr） return -EINVAL; state = drv->state + port->line; mutex_lock（&port_mutex）； mutex_lock（&state->mutex）； if （state->port） { ret = -EINVAL; goto out; } state->port = port; state->pm_state = -1; port->cons = drv->cons; port->info = state->info; /* * If this port is a console, then the spinlock is already * initialised. */ if （！（uart_console（port） && （port->cons->flags & CON_ENABLED））） { spin_lock_init（&port->lock）； lockdep_set_class（&port->lock, &port_lock_key）； } uart_configure_port（drv, state, port）； /* * Register the port whether it's detected or not. This allows * setserial to be used to alter this ports parameters. */ tty_dev = tty_register_device（drv->tty_driver, port->line, port->dev）； if （likely（！IS_ERR（tty_dev））） { device_can_wakeup（tty_dev） = 1; device_set_wakeup_enable（tty_dev, 0）； } else printk（KERN_ERR "Cannot register tty device on line %d\n", port->line）； /* * Ensure UPF_DEAD is not set. */ port->flags &= ~UPF_DEAD; out: mutex_unlock（&state->mutex）； mutex_unlock（&port_mutex）； return ret; }
首先这个函数不能在中断环境中使用。 Uart_port->line就是对uart设备文件序号。它对应的也就是uart_driver->state数组中的uart_port->line项。
它主要初始化对应uart_driver->state项。接着调用uart_configure_port（）进行port的自动配置。然后注册tty_device.如果用户空间运行了udev或者已经配置好了hotplug.就会在/dev下自动生成设备文件了。
操作流程图如下所示：
六：设备节点的open操作
在用户空间执行open操作的时候，就会执行uart_ops->open. Uart_ops的定义如下：
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, .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, };
对应open的操作接口为uart_open.代码如下：
static int uart_open（struct tty_struct *tty, struct file *filp） { struct uart_driver *drv = （struct uart_driver *）tty->driver->driver_state; struct uart_state *state; int retval, line = tty->index; BUG_ON（！kernel_locked（））； pr_debug（"uart_open（%d） called\n", line）； /* * tty->driver->num won't change, so we won't fail here with * tty->driver_data set to something non-NULL （and therefore * we won't get caught by uart_close（））。 */ retval = -ENODEV; if （line >= tty->driver->num） goto fail; /* * We take the semaphore inside uart_get to guarantee that we won't * be re-entered while allocating the info structure, or while we * request any IRQs that the driver may need. This also has the nice * side-effect that it delays the action of uart_hangup, so we can * guarantee that info->tty will always contain something reasonable. */ state = uart_get（drv, line）； if （IS_ERR（state）） { retval = PTR_ERR（state）； goto fail; } /* * Once we set tty->driver_data here, we are guaranteed that * uart_close（） will decrement the driver module use count. * Any failures from here onwards should not touch the count. */ tty->driver_data = state; tty->low_latency = （state->port->flags & UPF_LOW_LATENCY） ? 1 : 0; tty->alt_speed = 0; state->info->tty = tty; /* * If the port is in the middle of closing, bail out now. */ if （tty_hung_up_p（filp）） { retval = -EAGAIN; state->count--; mutex_unlock（&state->mutex）； goto fail; } /* * Make sure the device is in D0 state. */ if （state->count == 1） uart_change_pm（state, 0）； /* * Start up the serial port. */ retval = uart_startup（state, 0）； /* * If we succeeded, wait until the port is ready. */ if （retval == 0） retval = uart_block_til_ready（filp, state）； mutex_unlock（&state->mutex）； /* * If this is the first open to succeed, adjust things to suit. */ if （retval == 0 && !（state->info->flags & UIF_NORMAL_ACTIVE）） { state->info->flags |= UIF_NORMAL_ACTIVE; uart_update_termios（state）； } fail: return retval; } int ret = 0; state = drv->state + line; if （mutex_lock_interruptible（&state->mutex）） { ret = -ERESTARTSYS; goto err; } state->count++; if （！state->port || state->port->flags & UPF_DEAD） { ret = -ENXIO; goto err_unlock; } if （！state->info） { state->info = kzalloc（sizeof（struct uart_info）， GFP_KERNEL）； if （state->info） { init_waitqueue_head（&state->info->open_wait）； init_waitqueue_head（&state->info->delta_msr_wait）； /* * Link the info into the other structures. */ state->port->info = state->info; tasklet_init（&state->info->tlet, uart_tasklet_action, （unsigned long）state）； } else { ret = -ENOMEM; goto err_unlock; } } return state; err_unlock: state->count--; mutex_unlock（&state->mutex）； err: return ERR_PTR（ret）； }
从代码中可以看出。这里注要是操作是初始化state->info.注意port->info就是state->info的一个副本。即port直接通过port->info可以找到它要操作的缓存区。
uart_startup（）代码如下：
static int uart_startup（struct uart_state *state, int init_hw） { struct uart_info *info = state->info; struct uart_port *port = state->port; unsigned long page; int retval = 0; if （info->flags & UIF_INITIALIZED） return 0; /* * Set the TTY IO error marker - we will only clear this * once we have successfully opened the port. Also set * up the tty->alt_speed kludge */ set_bit（TTY_IO_ERROR, &info->tty->flags）； if （port->type == PORT_UNKNOWN） return 0; /* * Initialise and allocate the transmit and temporary * buffer. */ if （！info->xmit.buf） { page = get_zeroed_page（GFP_KERNEL）； if （！page） return -ENOMEM; info->xmit.buf = （unsigned char *） page; uart_circ_clear（&info->xmit）； } retval = port->ops->startup（port）； if （retval == 0） { if （init_hw） { /* * Initialise the hardware port settings. */ uart_change_speed（state, NULL）； /* * Setup the RTS and DTR signals once the * port is open and ready to respond. */ if （info->tty->termios->c_cflag & CBAUD） uart_set_mctrl（port, TIOCM_RTS | TIOCM_DTR）； } if （info->flags & UIF_CTS_FLOW） { spin_lock_irq（&port->lock）； if （！（port->ops->get_mctrl（port） & TIOCM_CTS）） info->tty->hw_stopped = 1; spin_unlock_irq（&port->lock）； } info->flags |= UIF_INITIALIZED; clear_bit（TTY_IO_ERROR, &info->tty->flags）； } if （retval && capable（CAP_SYS_ADMIN）） retval = 0; return retval; }
在这里，注要完成对环形缓冲，即info->xmit的初始化。然后调用port->ops->startup（ ）将这个port带入到工作状态。其它的是一个可调参数的设置，就不详细讲解了。
七：设备节点的write操作
Write操作对应的操作接口为uart_write（ ）。代码如下：
static int uart_write（struct tty_struct *tty, const unsigned char *buf, int count） { struct uart_state *state = tty->driver_data; struct uart_port *port; struct circ_buf *circ; unsigned long flags; int c, ret = 0; /* * This means you called this function _after_ the port was * closed. No cookie for you. */ if （！state || !state->info） { WARN_ON（1）； return -EL3HLT; } port = state->port; circ = &state->info->xmit; if （！circ->buf） return 0; spin_lock_irqsave（&port->lock, flags）； while （1） { c = CIRC_SPACE_TO_END（circ->head, circ->tail, UART_XMIT_SIZE）； if （count < c） c = count; if （c <= 0） break; memcpy（circ->buf + circ->head, buf, c）； circ->head = （circ->head + c） & （UART_XMIT_SIZE - 1）； buf += c; count -= c; ret += c; } spin_unlock_irqrestore（&port->lock, flags）； uart_start（tty）； return ret; }
Uart_start（）代码如下：
static void uart_start（struct tty_struct *tty） { struct uart_state *state = tty->driver_data; struct uart_port *port = state->port; unsigned long flags; spin_lock_irqsave（&port->lock, flags）； __uart_start（tty）； spin_unlock_irqrestore（&port->lock, flags）； } static void __uart_start（struct tty_struct *tty） { struct uart_state *state = tty->driver_data; struct uart_port *port = state->port; if （！uart_circ_empty（&state->info->xmit） && state->info->xmit.buf && !tty->stopped && !tty->hw_stopped） port->ops->start_tx（port）； }
显然，对于write操作而言，它就是将数据copy到环形缓存区。然后调用port->ops->start_tx（）将数据写到硬件寄存器。
八：Read操作
Uart的read操作同Tty的read操作相同，即都是调用ldsic->read（）读取read_buf中的内容。有对这部份内容不太清楚的，参阅《 linux设备模型之tty驱动架构》.
九：小结
本小节是分析serial驱动的基础。在理解了tty驱动架构之后，再来理解uart驱动架构应该不是很难。随着我们在linux设备驱动分析的深入，越来越深刻的体会到，linux的设备驱动架构很多都是相通的。只要深刻理解了一种驱动架构。举一反三。也就很容易分析出其它架构的驱动了。
