理解UART子系统：Linux Kernel 4.9.88核心结构体与设计详解（驱动开发入门指南）

核心结构体详解

UART子系统的核心由多个结构体组成，它们定义了驱动、端口和操作。以下是关键结构体的详细解释。

1. uart_driver 结构体

uart_driver 代表一个UART驱动，用于注册驱动到内核。它包含驱动名称、设备节点等信息。串口通信的驱动通过此结构体初始化和管理。代码示例如下：

    struct uart_driver {struct module *owner;const char *driver_name;const char *dev_name;int major;int minor;int nr;struct console *cons;struct uart_state *state;struct tty_driver *tty_driver;};  

该结构体通过uart_register_driver()函数注册，是UART驱动开发的起点。

2. uart_port 结构体

uart_port 描述一个具体的UART端口，包括硬件地址、中断号和操作函数。它关联实际硬件，是内核模块与硬件交互的关键。代码示例如下：

    struct uart_port {spinlock_t lock;unsigned long iobase;unsigned char __iomem *membase;unsigned int irq;unsigned int uartclk;unsigned int fifosize;struct device *dev;struct uart_ops *ops;unsigned int custom_divisor;unsigned int read_status_mask;unsigned int ignore_status_mask;struct uart_state state;};  

每个UART端口对应一个uart_port实例，通过uart_add_one_port()添加到驱动。

3. uart_ops 结构体

uart_ops 定义了一组操作函数，如发送数据、配置波特率等。它实现了硬件无关的接口，是UART子系统的核心设计。代码示例如下：

    struct uart_ops {unsigned int (tx_empty)(struct uart_port );void (set_mctrl)(struct uart_port , unsigned int mctrl);unsigned int (get_mctrl)(struct uart_port );void (stop_tx)(struct uart_port );void (start_tx)(struct uart_port );void (stop_rx)(struct uart_port );void (enable_ms)(struct uart_port );void (break_ctl)(struct uart_port , int ctl);int (startup)(struct uart_port );void (shutdown)(struct uart_port );void (set_termios)(struct uart_port *, struct ktermios *new, struct ktermios old);void (pm)(struct uart_port *, unsigned int state, unsigned int oldstate);const char (type)(struct uart_port );void (release_port)(struct uart_port );int (request_port)(struct uart_port );void (config_port)(struct uart_port , int);int (verify_port)(struct uart_port *, struct serial_struct *);};  

驱动开发者需要实现这些函数，以适配具体硬件。

设计模式与工作流程

UART子系统采用分层设计：顶层是TTY子系统，中间是UART核心，底层是硬件驱动。工作流程包括驱动注册、端口添加和数据传输。首先，通过uart_register_driver()注册驱动；然后，使用uart_add_one_port()添加端口；最后，通过uart_ops函数处理中断和数据流。这种设计提高了代码重用性，使得UART驱动开发更高效。在Linux内核中，中断处理是关键，UART子系统利用中断来接收和发送数据。

代码示例：简单UART驱动初始化

以下是一个简化的UART驱动初始化代码，展示如何注册驱动和端口。此示例适用于Linux Kernel 4.9.88。

    #include #include #include static struct uart_driver my_uart_driver = {.owner = THIS_MODULE,.driver_name = "my_uart",.dev_name = "ttyS",.major = 0,.minor = 0,.nr = 1,};static struct uart_port my_uart_port;static int __init my_uart_init(void){int ret;ret = uart_register_driver(&my_uart_driver);if (ret) {printk(KERN_ERR "Failed to register UART driver");return ret;}my_uart_port.ops = &my_uart_ops; // 假设my_uart_ops已定义my_uart_port.iobase = 0x3F8; // 示例硬件地址my_uart_port.irq = 4;ret = uart_add_one_port(&my_uart_driver, &my_uart_port);if (ret) {printk(KERN_ERR "Failed to add UART port");uart_unregister_driver(&my_uart_driver);return ret;}printk(KERN_INFO "UART driver initialized");return 0;}static void __exit my_uart_exit(void){uart_remove_one_port(&my_uart_driver, &my_uart_port);uart_unregister_driver(&my_uart_driver);printk(KERN_INFO "UART driver removed");}module_init(my_uart_init);module_exit(my_uart_exit);MODULE_LICENSE("GPL");  

此代码演示了UART驱动的基本结构，帮助理解内核模块的加载和卸载过程。

总结

本文详细讲解了Linux Kernel 4.9.88中UART子系统的核心结构体，包括uart_driver、uart_port和uart_ops，并分析了其设计模式。通过理解这些内容，您可以开始开发自己的UART驱动，实现串口通信功能。UART子系统是Linux内核驱动的重要组成部分，掌握它有助于深入嵌入式系统开发。建议读者结合内核源码进一步实践，以巩固学习成果。