Linux Kernel 4.9.88 UART子系统深度解析核心结构体与分层设计思想完全指南

Linux Kernel 4.9.88 UART子系统深度解析核心结构体与分层设计思想完全指南

你是否曾被Linux内核中复杂的UART驱动代码困扰？ 本文将带你以Linux 4.9.88 LTS版本为蓝本，零基础拆解UART子系统的骨架——从最核心的uart_driver、uart_port到硬件操作函数集，彻底理清串口驱动的工作奥秘。无需底层专家，看完你也能修改UART驱动！

一、为什么你需要理解UART子系统？

UART（通用异步收发传输器）是嵌入式Linux中最常用的低速通信接口。在Linux内核4.9.88中，UART子系统已经高度抽象，向上对接tty层，向下通过uart_driver结构体和uart_port结构体分离“驱动逻辑”与“硬件描述”。掌握这些结构体，你就能轻松为新的串口芯片编写驱动，或者理解现有驱动（如8250、pl011）的运行机制。

二、UART子系统整体设计——分层与协作

整个子系统分为四层：tty核心层（提供/dev/tty*接口）、线路规程（数据加工）、UART核心层（通用逻辑，位于drivers/tty/serial/serial_core.c）和硬件驱动层（具体芯片操作）。4.9.88版本中，UART核心通过uart_driver注册自己，每个物理端口对应一个uart_port，而硬件的具体收发、中断控制则由uart_ops回调实现。

2.1 核心结构体之一：uart_driver

struct uart_driver是UART驱动的“身份证”，定义在#include 。它包含了tty_driver指针、设备号、驱动名称、端口表等。当你调用uart_register_driver()时，内核会分配tty驱动并关联。关键成员如下：

• struct module *owner —— 通常为THIS_MODULE，管理模块引用计数
• const char *driver_name —— 驱动名称，显示在/proc/tty/drivers
• struct uart_port * *ports —— 保存该驱动管理的所有uart_port指针数组
• struct tty_driver *tty_driver —— 底层tty驱动，UART核心帮你填充

2.2 核心结构体之二：uart_port

uart_port是UART子系统中最庞大的结构体（超过60个字段），它描述了一个独立串口端口的全部属性。在4.9.88中，它包含了I/O基地址、中断号、波特率、FIFO大小、串口类型（PORT_*）、以及指向uart_ops的指针。注意：port->ops就是硬件驱动提供给你的“开关函数”。

• unsigned long mapbase —— 物理内存基地址
• unsigned int irq —— 中断号
• struct uart_ops *ops —— 硬件操作函数表（重中之重）
• unsigned int fifosize —— 硬件发送FIFO深度，用于流控
• struct device *dev —— 关联的设备结构体（设备模型）

2.3 核心结构体之三：uart_ops

这是驱动开发者必须实现的一组回调。每个函数都操作具体的uart_port硬件。uart_ops直接决定了串口是否能收发数据。例如：

回调函数	作用说明
startup	申请中断、初始化FIFO、使能收发
shutdown	释放中断、关闭端口
set_termios	设置波特率、数据位、停止位、校验
tx_empty	检查发送FIFO是否空
put_char	单字符发送（轮询模式）
start_tx	使能发送中断，触发发送

三、Linux 4.9.88中的设计演进与细节

在Linux内核4.9.88中，UART子系统引入了一些优化：比如uart_port中增加了attr_group用于设备属性，更好地支持sysfs；同时中断处理统一使用threaded irq机制（可选）。但核心思想没有变化——仍然是“uart_driver + uart_port + uart_ops”三驾马车。了解这个版本，你就可以向下兼容3.x，向上理解5.x。

四、从零构建UART驱动：核心步骤

为了让你更直观地理解这些结构体如何协同，我们模拟一个最简单的虚拟UART驱动编写流程：

1. 1 分配并初始化struct uart_driver，设置驱动名、设备号、端口数量。
2. 2 实现struct uart_ops中的所有必要回调（至少包括startup、shutdown、set_termios、start_tx）。
3. 3 定义struct uart_port实例，填充I/O资源、irq、ops指针，并调用uart_add_one_port()注册到uart_driver。
4. 4 在模块入口注册uart_driver，出口注销。一切就绪！

五、总结：一张图记住UART子系统

💡 UART子系统的本质是：uart_driver提供骨架，uart_port描述个体，uart_ops注入灵魂。在Linux内核4.9.88中，这套设计经历了十余年考验，清晰、稳定、可扩展。掌握了uart_driver结构体和uart_port结构体，你就能驾驭任何串口硬件。

原文链接：深入UART核心 —— 基于4.9.88 LTS版本解析 更新于：2026年2月12日