Linux驱动开发——串口设备驱动

一、串口简介

串口全称叫做串行接口，通常也叫做 COM 接口，串行接口指的是数据一个一个的顺序传输，通信线路简单。使用两条线即可实现双向通信，一条用于发送，一条用于接收。串口通信距离远，但是速度相对会低，串口是一种很常用的工业接口。

I.MX6U 自带的 UART 外设就是串口的一种，UART 全称是 Universal Asynchronous Receiver/Trasmitter，也就是异步串行收发器。UART 作为串口的一种，其工作原理也是将数据一位一位的进行传输，发送和接收各用一条线，因此通过 UART 接口与外界相连最少只需要三条线：TXD(发送)、RXD(接收)和 GND(地线)

• 空闲位：数据线在空闲状态的时候为逻辑“1”状态，也就是高电平，表示没有数据线空闲，没有数据传输。
• 起始位：当要传输数据的时候先传输一个逻辑“0”，也就是将数据线拉低，表示开始数据传输。
• 数据位：数据位就是实际要传输的数据，数据位数可选择 5~8 位，我们一般都是按照字节传输数据的，一个字节 8 位，因此数据位通常是 8 位的。低位在前，先传输，高位最后传输。
• 奇偶校验位：这是对数据中“1”的位数进行奇偶校验用的，可以不使用奇偶校验功能。
• 停止位：数据传输完成标志位，停止位的位数可以选择 1 位、1.5 位或 2 位高电平，一般都选择 1 位停止位。
• 波特率：波特率就是 UART 数据传输的速率，也就是每秒传输的数据位数，一般选择 9600、19200、115200 等。

二、Linux下串口驱动框架

Linux 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。

uart_driver 结构体

uart_driver 结构体表示 UART 驱动，uart_driver 定义在 include/linux/serial_core.h 文件中

struct uart_driver 
{
    
	struct module *owner; /* 模块所属者 */
	const char *driver_name; /* 驱动名字 */
	const char *dev_name; /* 设备名字 */
	int major; /* 主设备号 */
	int minor; /* 次设备号 */
	int nr; /* 设备数 */
	struct console *cons; /* 控制台 */
	/*
	* these are private; the low level driver should not
	* touch these; they should be initialised to NULL
	*/
	struct uart_state *state;
	struct tty_driver *tty_driver;
};

1. 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。

2. 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。

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

117 struct uart_port {
    
118 spinlock_t lock; /* port lock */
119 unsigned long iobase; /* in/out[bwl] */
120 unsigned char __iomem *membase; /* read/write[bwl] */
......
235 const struct uart_ops *ops;
236 unsigned int custom_divisor;
237 unsigned int line; /* port index */
238 unsigned int minor;
239 resource_size_t mapbase; /* for ioremap */
240 resource_size_t mapsize;
241 struct device *dev; /* parent device */
......
250 };

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，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。

1. 那么 uart_port 是怎么和 uart_driver 结合起来，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。

2. 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。

三、Linux下串口驱动工作流程

1. UART 本质上是一个 platform 驱动
2. platform 驱动框架结构体 serial_imx_driver
3. 在驱动入口函数中调用uart_register_driver 函数向 Linux 内核注册 uart_driver
4. 在驱动出口函数中调用uart_unregister_driver 函数注销掉前面注册的 uart_driver
5. 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
6. 在初始化uart_port过程中，设置 uart_ops 为 imx_pops。imx_pops 就是 I.MX6ULL 最底层的驱动函数集合。

四、Linux下串口应用开发

串口的应用编程就是通过 ioctl()对串口进行配置，调用 read()读取串口的数据、调用 write()向串口写入数据。

Linux 为上层用户做了一层封装，将这些 ioctl()操作封装成了一套标准的 API，这些 API 其实是 C 库函数。

• 这一套接口并不是针对串口开发的，而是针对所有的终端设备，串口是一种终端设备，计算机系统本地连接的鼠标、键盘也是终端设备，通过 ssh 远程登录连接的伪终端也是终端设备
• 使用 termios API，需要在我们的应用程序中包含 termios.h 头文件

终端工作模式

• 规范模式
  • 基于行进行处理的。在用户输入一个行结束符（回车符、EOF 等）之前，系统调用 read()函数是读不到用户输入的任何字符的
• 非规范模式
  • 所有的输入是即时有效的，不需要用户另外输入行结束符，而且不可进行行编辑
• 原始模式
  • 是一种特殊的非规范模式。在原始模式下，所有的输入数据以字节为单位被处理。在这个模式下，终端是不可回显的，并且禁用终端输入和输出字符的所有特殊处理。调用 cfmakeraw()函数将终端设置为原始模式

多线程例程

#define _GNU_SOURCE     //在源文件开头定义_GNU_SOURCE宏
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <termios.h>
#include <pthread.h>

typedef struct uart_hardware_cfg {
    
    unsigned int baudrate;      /* 波特率 */
    unsigned char dbit;         /* 数据位 */
    char parity;                /* 奇偶校验 */
    unsigned char sbit;         /* 停止位 */
} uart_cfg_t;

static struct termios old_cfg;  //用于保存终端的配置参数
static int fd;      //串口终端对应的文件描述符

/**
 ** 串口初始化操作
 ** 参数device表示串口终端的设备节点
 **/
static int uart_init(const char *device)
{
    
    /* 打开串口终端 */
    fd = open(device, O_RDWR | O_NOCTTY);
    if (0 > fd) {
    
        fprintf(stderr, "open error: %s: %s\n", device, strerror(errno));
        return -1;
    }

    /* 获取串口当前的配置参数 */
    if (0 > tcgetattr(fd, &old_cfg)) {
    
        fprintf(stderr, "tcgetattr error: %s\n", strerror(errno));
        close(fd);
        return -1;
    }

    return 0;
}

/**
 ** 串口配置
 ** 参数cfg指向一个uart_cfg_t结构体对象
 **/
static int uart_cfg(const uart_cfg_t *cfg)
{
    
    struct termios new_cfg = {
    0};   //将new_cfg对象清零
    speed_t speed;

    /* 设置为原始模式 */
    cfmakeraw(&new_cfg);

    /* 使能接收 */
    new_cfg.c_cflag |= CREAD;

    /* 设置波特率 */
    switch (cfg->baudrate) {
    
    case 1200: speed = B1200;
        break;
    case 1800: speed = B1800;
        break;
    case 2400: speed = B2400;
        break;
    case 4800: speed = B4800;
        break;
    case 9600: speed = B9600;
        break;
    case 19200: speed = B19200;
        break;
    case 38400: speed = B38400;
        break;
    case 57600: speed = B57600;
        break;
    case 115200: speed = B115200;
        break;
    case 230400: speed = B230400;
        break;
    case 460800: speed = B460800;
        break;
    case 500000: speed = B500000;
        break;
    default:    //默认配置为115200
        speed = B115200;
        printf("default baud rate: 115200\n");
        break;
    }

    if (0 > cfsetspeed(&new_cfg, speed)) {
    
        fprintf(stderr, "cfsetspeed error: %s\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    /* 设置数据位大小 */
    new_cfg.c_cflag &= ~CSIZE;  //将数据位相关的比特位清零
    switch (cfg->dbit) {
    
    case 5:
        new_cfg.c_cflag |= CS5;
        break;
    case 6:
        new_cfg.c_cflag |= CS6;
        break;
    case 7:
        new_cfg.c_cflag |= CS7;
        break;
    case 8:
        new_cfg.c_cflag |= CS8;
        break;
    default:    //默认数据位大小为8
        new_cfg.c_cflag |= CS8;
        printf("default data bit size: 8\n");
        break;
    }

    /* 设置奇偶校验 */
    switch (cfg->parity) {
    
    case 'N':       //无校验
        new_cfg.c_cflag &= ~PARENB;
        new_cfg.c_iflag &= ~INPCK;
        break;
    case 'O':       //奇校验
        new_cfg.c_cflag |= (PARODD | PARENB);
        new_cfg.c_iflag |= INPCK;
        break;
    case 'E':       //偶校验
        new_cfg.c_cflag |= PARENB;
        new_cfg.c_cflag &= ~PARODD; /* 清除PARODD标志，配置为偶校验 */
        new_cfg.c_iflag |= INPCK;
        break;
    default:    //默认配置为无校验
        new_cfg.c_cflag &= ~PARENB;
        new_cfg.c_iflag &= ~INPCK;
        printf("default parity: N\n");
        break;
    }

    /* 设置停止位 */
    switch (cfg->sbit) {
    
    case 1:     //1个停止位
        new_cfg.c_cflag &= ~CSTOPB;
        break;
    case 2:     //2个停止位
        new_cfg.c_cflag |= CSTOPB;
        break;
    default:    //默认配置为1个停止位
        new_cfg.c_cflag &= ~CSTOPB;
        printf("default stop bit size: 1\n");
        break;
    }

    /* 将MIN和TIME设置为0 */
    new_cfg.c_cc[VTIME] = 0;
    new_cfg.c_cc[VMIN] = 0;

    /* 清空缓冲区 */
    if (0 > tcflush(fd, TCIOFLUSH)) {
    
        fprintf(stderr, "tcflush error: %s\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    /* 写入配置、使配置生效 */
    if (0 > tcsetattr(fd, TCSANOW, &new_cfg)) {
    
        fprintf(stderr, "tcsetattr error: %s\n", strerror(errno));
        return -1;
    }

    /* 配置OK 退出 */
    return 0;
}

/***
--dev=/dev/ttymxc2
--brate=115200
--dbit=8
--parity=N
--sbit=1
--type=read
***/
/**
 ** 打印帮助信息
 **/
static void show_help(const char *app)
{
    
    printf("Usage: %s [选项]\n"
        "\n必选选项:\n"
        "  --dev=DEVICE     指定串口终端设备名称, 譬如--dev=/dev/ttymxc2\n"
        "\n可选选项:\n"
        "  --brate=SPEED    指定串口波特率, 譬如--brate=115200\n"
        "  --dbit=SIZE      指定串口数据位个数, 譬如--dbit=8(可取值为: 5/6/7/8)\n"
        "  --parity=PARITY  指定串口奇偶校验方式, 譬如--parity=N(N表示无校验、O表示奇校验、E表示偶校验)\n"
        "  --sbit=SIZE      指定串口停止位个数, 譬如--sbit=1(可取值为: 1/2)\n"
        "  --help           查看本程序使用帮助信息\n\n", app);
}

/**
 ** 信号处理函数，当串口有数据可读时，会跳转到该函数执行
 **/
static void io_handler(int sig, siginfo_t *info, void *context)
{
    
    unsigned char buf[10] = {
    0};
    int ret;
    int n;

    if(SIGRTMIN != sig)
        return;

    /* 判断串口是否有数据可读 */
    if (POLL_IN == info->si_code) {
    
        ret = read(fd, buf, 8);     //一次最多读8个字节数据
        printf("[ ");
        for (n = 0; n < ret; n++)
            printf("0x%hhx ", buf[n]);
        printf("]\n");
    }
}

/**
 ** 异步I/O初始化函数
 **/
static void async_io_init(void)
{
    
    struct sigaction sigatn;
    int flag;

    /* 使能异步I/O */
    flag = fcntl(fd, F_GETFL);  //使能串口的异步I/O功能
    flag |= O_ASYNC;
    fcntl(fd, F_SETFL, flag);

    /* 设置异步I/O的所有者 */
    fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());

    /* 指定实时信号SIGRTMIN作为异步I/O通知信号 */
    fcntl(fd, F_SETSIG, SIGRTMIN);

    /* 为实时信号SIGRTMIN注册信号处理函数 */
    sigatn.sa_sigaction = io_handler;   //当串口有数据可读时，会跳转到io_handler函数
    sigatn.sa_flags = SA_SIGINFO;
    sigemptyset(&sigatn.sa_mask);
    sigaction(SIGRTMIN, &sigatn, NULL);
}

static void *read_thread(void *arg)
{
    
    printf("read_thread , process id=%d , thread id= %lu\n",getpid(),pthread_self());
    async_io_init();	//我们使用异步I/O方式读取串口的数据，调用该函数去初始化串口的异步I/O
    
    while(1) sleep(1);   	//进入休眠、等待有数据可读，有数据可读之后就会跳转到io_handler()函数
    return (void *)0; 
}
static void *write_thread(void *arg)
{
    
    unsigned char w_buf[8] = {
    0};
    printf("write_thread , process id=%d , thread id= %lu\n",getpid(),pthread_self());
    while(1)
    {
    
        scanf("%s",w_buf);
        write(fd, w_buf, 8); 	//一次向串口写入8个字节
        memset(w_buf, 0, sizeof w_buf);
    }
    return (void *)0; 
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    
    uart_cfg_t cfg = {
    0};
    char *device = NULL;
    int rw_flag = -1;
    int n;

    /* 解析出参数 */
    for (n = 1; n < argc; n++) {
    

        if (!strncmp("--dev=", argv[n], 6))
            device = &argv[n][6];
        else if (!strncmp("--brate=", argv[n], 8))
            cfg.baudrate = atoi(&argv[n][8]);
        else if (!strncmp("--dbit=", argv[n], 7))
            cfg.dbit = atoi(&argv[n][7]);
        else if (!strncmp("--parity=", argv[n], 9))
            cfg.parity = argv[n][9];
        else if (!strncmp("--sbit=", argv[n], 7))
            cfg.sbit = atoi(&argv[n][7]);
        else if (!strcmp("--help", argv[n])) {
    
            show_help(argv[0]); //打印帮助信息
            exit(EXIT_SUCCESS);
        }
    }

    /* 串口初始化 */
    if (uart_init(device))
        exit(EXIT_FAILURE);

    /* 串口配置 */
    if (uart_cfg(&cfg)) {
    
        tcsetattr(fd, TCSANOW, &old_cfg);   //恢复到之前的配置
        close(fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }


    pthread_t tid1,tid2;

    int ret = pthread_create(&tid1,NULL,read_thread,NULL);
    if(ret != 0)
    {
    
        fprintf(stderr,"error:%s\n",strerror(ret));
        exit(-1);
    }
    
     ret = pthread_create(&tid2,NULL,write_thread,NULL);
    if(ret != 0)
    {
    
        fprintf(stderr,"error:%s\n",strerror(ret));
        exit(-1);
    }
    
    while(1);
  
    /* 退出 */
    tcsetattr(fd, TCSANOW, &old_cfg);   //恢复到之前的配置
    close(fd);
    exit(EXIT_SUCCESS);
}