技术文章：基于Linux的tty架构及UART驱动详解

    本文由技术大拿：蒙工 投稿！
    桂电毕业的资深嵌入式专家。
    一、模块硬件学习
    1．1． Uart介绍
    通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver／Transmitter），通常称为UART，是一种异步收发传输器，是电脑硬件的一部分。它将要传输的资料在串行通信与并行通信之间加以转换。
    作为把并行输入信号转成串行输出信号的芯片，UART 通常被集成于其他通讯接口的连上。
    UART 是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。在嵌入式设备中，UART 用于主机与辅助设备通信，如汽车音与外接AP 之间的通信，与PC 机通信包括与监控调试器和其它器件，如EEPOM通信。
    1．1．1． 通信协议
    UART作为异步串口通信协议的一种，工作原理是将传输数据的每个字符一位接一位地传输。其中各位的意义如下：
    起始位：先发出一个逻辑”0”的信号，表示传输字符的开始。
    数据位：紧接着起始位之后。数据位的个数可以是5、6、7、8等，构成一个字符。通常采用ASCII码。从最低位开始传送，靠时钟定位。
    奇偶校验位：数据位加上这一位后，使得“1”的位数应为偶数（偶校验）或奇数（奇校验），以此来校验数据传送的正确性。
    停止位：它是一个字符数据的结束标志。可以是1位、1．5位、2位的高电平。
    由于数据是在传输线上定时的，并且每一个设备有其自己的时钟，很可能在通信中两台设备间出现了小小的不同步。因此停止位不仅仅是表示传输的结束，并且提供计算机校正时钟同步的机会。适用于停止位的位数越多，不同时钟同步的容忍程度越大，但是数据传输率同时也越慢。
    空闲位：处于逻辑“1”状态，表示当前线路上没有数据传送。
    Uart传输数据如图2－1所示：
    
    1．1．2． 波特率
    波特率是衡量资料传送速率的指标。表示每秒钟传送的符号数（symbol）。一个符号代表的信息量（比特数）与符号的阶数有关。例如传输使用256阶符号，每8bit代表一个符号，数据传送速率为120字符／秒，则波特率就是120 baud，比特率是120＊8＝960bit／s。这两者的概念很容易搞错。
    UART 的接收和发送是按照相同的波特率进行收发的。波特率发生器产生的时钟频率不是波特率时钟频率，而是波特率时钟频率的16倍，目的是为在接收时进行精确的采样，以提取出异步的串行数据。根据给定的晶振时钟和要求的波特率，可以算出波特率分频计数值。
    1．1．3． 工作原理
    发送数据过程：空闲状态，线路处于高电位；当收到发送数据指令后，拉低线路一个数据位的时间T，接着数据位按低位到高位依次发送，数据发送完毕后，接着发送奇偶检验位和停止位（停止位为高电位），一帧数据发送结束。
    接收数据过程： 空闲状态，线路处于高电位；当检测到线路的下降沿（线路电位由高电位变为低电位）时说明线路有数据传输，按照约定的波特率从低位到高位接收数据，数据接收完毕后，接着接收并比较奇偶检验位是否正确，如果正确则通知则通知后续设备准备接收数据或存入缓存。
    由于UART是异步传输，没有传输同步时钟。为了能保证数据传输的正确性，UART采用16倍数据波特率的时钟进行采样。每个数据有16个时钟采样，取中间的采样值，以保证采样不会滑码或误码。
    一般UART一帧的数据位为8，这样即使每一个数据有一个时钟的误差，接收端也能正确地采样到数据。
    UART的接收数据时序为：当检测到数据下降沿时，表明线路上有数据进行传输，这时计数器CNT开始计数，当计数器，当计数器为8时，采样的值为“0”表示开始位；当计数器为24＝161＋8时，采样的值为bit0数据；当计数器的值为40＝162＋8时，采样的值为bit1数据；依次类推，进行后面6个数据的采样。如果需要进行奇偶校验位，则当计数器的值为152＝169＋8时，采样的值为奇偶位；当计数器的值为168＝1610＋8时，采样的值为“1”表示停止位，一帧数据收发完成。
    1．1．4． RS232与RS485
    UART：通常说的UART指的是一种串行通信协议，规定了数据帧格式，波特率等。RS232和RS485：是两种不同的电气协议，也就是说，是对电气特性以及物理特性的规定，作用于数据的传输通路上，它并不含对数据的处理方式。
    对应的物理器件有RS232或者RS485驱动芯片，将CPU经过UART传送过来的电压信号驱动成RS232或者RS485电平逻辑。
    RS232使用3－15V有效电平，而UART，因为对电气特性没有规定，所以直接使用CPU使用的电平，即TTL电平（在0－3．3V之间）。
    更具体的，电气的特性也决定了线路的连接方式，比如RS232，规定用电平表示数据，因此线路就是单线路的，两根线能达到全双工的目的；RS485使用差分电平表示数据，因此必须用两根线才能达到传输数据的基本要求，要实现全双工，必须使用4根线。
    RS232和RS485的区别（1）抗干扰性
    RS485 接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，具有抑制共模干扰的能力，抗噪声干扰性强。RS232接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成供地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。（2）传输距离RS485 接口的最大传输距离标准值为1200 米（9600bps 时），实际上可达3000米。RS232 传输距离有限，最大传输距离标准值为50米，实际上也只能用15米左右。（3）通信能力RS485接口在总线上最多可以连接128个收发器，即具有多站能力，而这样的用户可以利用单一的RS485接口方便的建立起设备网络。RS232只允许一对一通信。（4）传输速率RS232传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps．RS485的数据最高传输速率为10Mbps．（5） 信号线RS485全双工：uart－tx 1根线，变成 RS485－ A／B 2根线；uart－rx 1根线，变成 RS485－ x／y 2根线，RS485半双工： 将全双工的 A／B； X／Y 合并起来，分时复用。RS232只允许一对一通信（6）电气电平值逻辑“1”以两线间的电压差为＋（2－6）V表示；逻辑“0”以两线间的电压差为－（2－6）V表示。在RS232中任何一条信号的电压均为负逻辑关系。即：逻辑“1”－5－15V；逻辑“0”，＋5～＋15V，噪声容限为2V。即要求接收器能识别低至＋3V的信号作为逻辑“0”，高到－3V的信号的信号作为逻辑“1”。RS232接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故使用电平转换电路方能与TTL电路连接。RS485接口信号电平比RS232降低了，就不易损坏接口电路的芯片，且该电平与TTL电平兼容，方便与TTL电路连接。1．1．5． 流控
    数据在两个串口传输时，常常会出现丢失数据的现象，或者两台计算机的处理速度不同，如台式机与单片机之间的通讯，接收端数据缓冲区以满，此时继续发送的数据就会丢失，流控制能解决这个问题，当接收端数据处理不过来时，就发出“不再接收”的信号，发送端就停止发送，直到收到“可以继续发送”的信号再发送数据。
    因此流控制可以控制数据传输的进程，防止数据丢失。PC机中常用的两种流控为：硬件流控（包括RTS／CTS、DTR／CTS等）和软件流控制XON／XOFF（继续／停止）。
    1．1．5．1． 硬件流控
    硬件流控制常用的有RTS／CTS流控制和DTR／DSR流控制两种。
    DTR–数据终端就绪（Data Terminal Ready）低有效，当为低时，表示本设备自身准备就绪。此信号输出对端设备，使用对端设备决定能否与本设备通信。
    DSR－数据装置就绪（Data Set Ready）低有效，此信号由本设备相连接的对端设备提供，当为低时，本设备才能与设备端进行通信。
    RTS － 请求发送（数据）（Request To Send）低有效，此信号由本设备在需要发送数据给对端设备时设置。当为低时，表示本设备有数据需要向对端设备发送。对端设备能否接收到本方的发送数据，则通过CTS信号来应答。
    CTS －  接收发送（请求）（Clear To Send）低有效，对端设备能否接收本方所发送的数据，由CTS决定。若CTS为低，则表示对端的以准备好，可以接收本端发送数据。
    以RTS／CTS流控制分析，分析主机发送／接收流程：
    物理连接
    
    主机的RTS（输出信号），连接到从机的CTS（输入信号）。主机是CTS（输入信号），连接到从机的RTS（输入信号）。
    1．主机的发送过程：主机查询主机的CTS脚信号，此信号连接到从机的RTS信号，受从机控制。如果主机CTS信号有效（为低），表示从机的接收FIFO未满，从机可以接收，此时主机可以向从机发送数据，并且在发送过程中要一直查询CTS信号是否为有效状态。主机查询到CTS无效时，则中止发送。主机的CTS信号什么时候会无效呢？从机在接收到主机发送的数据时，从机的接收模块的FIFO如果满了，则会使从机RTS无效，也即主机的CTS信号无效。主机查询到CTS无效时，主机发送中止。
    2．主机接收模式：如果主机接收FIFO未满，那么使主机RTS信号有效（为低），即从机的CTS信号有效。此时如果从机要发送，发送前会查询从机的CTS信号，如果有效，则开始发送。并且在发送过程中要一直查询从机CTS信号的有效状态，如果无效则终止发送。是否有效由主机的RTS信号决定。如果主机FIFO满了，则使主机的RTS信号无效，也即从机CTS信号无效，主机接收中止。
    1．1．5．2． 软件流控
    由于电缆的限制，在普通的控制通讯中一般不采用硬件流控制，而是使用软件流控制。
    一般通过XON／XOFF来实现软件流控制。常用方法是：当接收端的输入缓冲区内数据量超过设定的高位时，就向数据发送端发送XOFF字符后就立即停止发送数据。
    当接收端的输入缓冲区内数据量低于设定的低位时，就向数据发送端发送XON字符（十进制的17或Control－Q），发送端收到XON字符后就立即开始发送数据。
    一般可从设备配套源程序中找到发送端收到XON字符后就立即发送数据。一般可以从设备配套源程序中找到发送的是什么字节。
    应注意，若传输的是二进制的数据，标志字符也可能在数据流中出现而引起误操作，这是软件流控的缺陷，而硬件流控不会出现这样的问题。
    二、Linux serial框架
    在Linux系统中，终端是一种字符型设备，它有多种类型，通常使用tty（Teletype）来简称各种类型的终端设备。
    对于嵌入式系统而言，最普遍采用的是Uart（Universal Asynchronous Receiver／Transmitter），串行端口，日常生活中简称端口
    2．1． TTY驱动程序框架2．1．1． TTY概念2．1．1．1． 串口终端（／dev／ttyS＊）
    串口终端是使用计算机串口连接的终端设备。Linux把每个串行端口都看做是一个字符设备。这些串行端口所对应的设备名称是／dev／ttySAC＊；
    2．1．1．2． 控制台终端（／dev／console）
    在Linux系统中，计算机的输出设备通常被称为控制台终端，这里特指printk信息输出到设备。／dev／console是一个虚拟的设备，它需要映射到真正的tty上，比如通过内核启动参数“console＝ttySCA0”就把console映射到了串口0
    2．1．1．3． 虚拟终端（／dev／tty＊）
    当用户登录时，使用的是虚拟终端。使用Ctcl＋Alt［F1 － F6］组合键时，我们就可以切换到tty1、tty2、tty3等上面去。tty＊就称为虚拟终端，而tty0则是当前所使用虚拟终端的一个别名。
    2．1．2． TTY架构分析
    整个 tty架构大概的样子如图3．1所示，简单来分的话可以说成两层，一层是下层我们的串口驱动层，它直接与硬件相接触，我们需要填充一个 struct uart＿ops 的结构体，另一层是上层 tty 层，包括 tty 核心以及线路规程，它们各自都有一个 Ops 结构，用户空通过间是 tty 注册的字符设备节点来访问。
    
    图3．1tty架构图
    如图3．2所示，tty设备发送数据的流程为：tty核心从一个用户获取将要发送给一个tty设备的数据，tty核心将数据传递给tty线路规程驱动，接着数据被传到tty驱动，tty驱动将数据转换为可以发给硬件的格式。
    接收数据的流程为：从tty硬件接收到的数据向上交给tty驱动，接着进入tty线路规程驱动，再进入tty核心，在这里它被一个用户获取。
    
    图3．2 tty设备发送、接收数据流程2．2． 关键数据结构2．2．1． Struct uart＿driver
    uart＿driver 包含了串口设备名，串口驱动名，主次设备号，串口控制台（可选））等信息，还封装了tty＿driver（底层串口驱动无需关心tty＿driver）
    struct uart＿driver ｛
            struct module    ＊owner； 拥有该uart＿driver的模块，一般为THIS＿MODULE
            const char        ＊driver＿name； 驱动串口名，串口设备名以驱动名为基础
            const char        ＊dev＿name； 串口设备名
            int                 major； 主设备号
            int                 minor； 次设备号
            int                 nr； 该uart＿driver支持的串口数
            struct console    ＊cons； 其对应的console，若该uart＿driver支持serial console，
    ＊否则为NULL
    ＊ these are private； the low level driver should not
    ＊ touch these； they should be initialised to NULL
    struct uart＿state ＊state； 下层，窗口驱动层
    struct tty＿driver  ＊tty＿driver； tty相关
    2．2．2． struct console
    实现控制台打印功能必须要注册的结构体
    struct console ｛
          char name［16］；
          void（＊write）（struct console ＊，const char ＊， unsigined）；
          int （＊read）（struct console ＊， char ＊， unsigned）；
          struct tty＿driver ＊（struct console ＊，int＊）；
          void （＊unblank）（void）；
          int  （＊setup）（struct console ＊， char ＊）；
          int  （＊early＿setup）（void）；
          short  flags；
          short  index； 用来指定该console使用哪一个uart port （对应的uart＿port中的line），如果为－1，kernel会自动选择第一个uart port
          int   cflag；
          void  ＊data；
          struct   console ＊next；
    ｝；
    
    
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