嵌入式驅動解析：從串口驅動到Linux驅動模型

本文通過對Linux下串口驅動的分析。由最上層的C庫。到操作系統系統調用層的封裝。再到tty子系統的核心。再到一系列線路規程。再到最底層的硬件操作。

對Linux中的tty子系統進行簡要的說明。從理論到實踐。以便讀者能對OS原理有更深入的瞭解和更具體的掌握。

在具體分析之前。我們必須對串口。驅動。和Linux操作系統有一定的瞭解。這一階段我們有三個問題需要解決：

1.什麼是Linux操作系統。

2.什麼是Linux設備驅動。

3.關於串口的種種。

要了解這些概念。如下我介紹了一點這方面的知識。不過遺憾的是對一些概念有着不可避免的向前引用。

這個過程中我會盡量忽略次要因素。以在本次調研中最主要目的爲主線。如果讀者您對這些概念已經有很深入的理解。可以直接閱讀後面的代碼分析：

1、什麼是Linux操作系統 ？

Linux是一套免費使用和自由傳播的類Unix操作系統，是一個基於POSIX和UNIX的多用戶、多任務、支持多線程和多CPU的操作系統。

它能運行主要的UNIX工具軟件、應用程序和網絡協議。它支持32位和64位硬件。Linux繼承了Unix以網絡爲核心的設計思想，是一個性能穩定的多用戶網絡操作系統。

Linux操作系統誕生於1991 年10 月5 日（這是第一次正式向外公佈時間）。Linux存在着許多不同的Linux版本，但它們都使用了Linux內核。

Linux具備驚人的可移植性。可安裝在各種計算機硬件設備中，比如手機、平板電腦、路由器、視頻遊戲控制檯、臺式計算機、大型機和超級計算機。

嚴格來講，Linux這個詞本身只表示Linux內核，但實際上人們已經習慣了用Linux來形容整個基於Linux內核，並且使用GNU 工程各種工具和數據庫的操作系統。

在這幾個簡要的段落中。有不少新的名詞被引入了進來。下面我對幾個重要的概念進行描述。

A、關於類UNIX系統

類Unix系統（英文：Unix-like）指各種傳統的Unix系統（比如FreeBSD、OpenBSD、SUN公司的Solaris）以及各種與傳統Unix類似的系統（例如Minix、Linux、QNX等）。

它們雖然有的是自由軟件，有的是商業軟件，但都相當程度地繼承了原始UNIX的特性，有許多相似處，並且都在一定程度上遵守POSIX規範。

這個在一些經典的操作系統教科書中已經作了說明。我們僅需知道。它和我們熟知的Windows系列操作系統一樣。都是一種現代操作系統。對底層的計算機資源進行抽象。對上層用戶提供調用接口。完成計算機應該完成的功能。

B、關於可移植性

可移植性指與軟件從某一環境轉移到另一環境下的難易程度。爲獲得較高的可移植性，在設計過程中常採用通用的程序設計語言和運行支撐環境。儘量不用與系統的底層相關性強的語言。

可移植性是軟件質量之一，良好的可移植性可以提高軟件的生命週期。代碼的可移植性主題是軟件；可移植性是軟件產品的一種能力屬性，其行爲表現爲一種程度，而表現出來的程度與環境密切相關。

一個操作系統的可移植性往往表現在它能在運行在不同的體系結構上。感性的理解就是可以支持的設備有很多。比如前文所說的，Linux可以運行在大型服務器上。各種平板電腦上。

前段時間有黑客成功的把Linux移植到一個佳能照相機上。並且在這個照相機上運行了一些主流的軟件。可以說。只要有足夠可以利用的硬件資源。就可以把Linux移植到這個硬件平臺上去。這個資源的最低要求往往很低。這可以與對硬件資源要求很高的Windows有一個鮮明的對比。舉個例子就是。當Windows 10的升級提示從你計算機的右下角彈出時。

你可以不假思索的點擊‘馬上升級’嗎？我想大多數人對這個問題的答案是否定的。爲什麼？因爲大多數情況下。升級之後就會變得更卡。延遲更大。一些無用而龐大的軟件瘋狂的佔用你有限的計算機資源。而如果你選擇的是Linux。你幾乎可以任意的在計算機上安裝軟件。運行程序（如果你的內存不是太小。且硬盤交換分區足夠的話）。

Linux核心已經將有限的硬件資源發揮到了極致。開源軟件良好的模塊化設計在各個層次上充分利用了程序的局部性原理。（當然這是在損失了一定易用性的前提下的。）。不好意思我扯遠了。這些不是本文的重點。。

由於筆者沒有土豪到有很多計算機。所以選擇了一款比較便宜的ARM9開發板作爲開發平臺。它的CPU是三星公司生產的S3C2440。核心是ARM920T。

C、關於Linux的基本思想

Linux的基本思想有兩點：

第一． 一切都是文件。系統中的所有都歸結爲一個文件，包括命令、硬件和軟件設備、操作系統、進程等等對於操作系統內核而言，都被視爲擁有各自特性或類型的文件。至於說Linux是基於Unix的，很大程度上也是因爲這兩者的基本思想十分相近

第二． 每個軟件都有確定的用途。

D、關於Linux的特點

完全免費

Linux是一款免費的操作系統，用戶可以通過網絡或其他途徑免費獲得，並可以任意修改其源代碼。這是其他的操作系統所做不到的。

正是由於這一點，來自全世界的無數程序員參與了Linux的修改、編寫工作，程序員可以根據自己的興趣和靈感對其進行改變，這讓Linux吸收了無數程序員的精華，不斷壯大。

完全兼容POSIX1.0標準

這使得可以在Linux下通過相應的模擬器運行常見的DOS、Windows的程序。這爲用戶從Windows轉到Linux奠定了基礎。

許多用戶在考慮使用Linux時，就想到以前在Windows下常見的程序是否能正常運行，這一點就消除了他們的疑慮。

多用戶、多任務

Linux支持多用戶，各個用戶對於自己的文件設備有自己特殊的權利，保證了各用戶之間互不影響。多任務則是現在電腦最主要的一個特點，Linux可以使多個程序同時並獨立地運行。

良好的界面

Linux同時具有字符界面和圖形界面。在字符界面用戶可以通過鍵盤輸入相應的指令來進行操作。它同時也提供了類似Windows圖形界面的X-Window系統，用戶可以使用鼠標對其進行操作。在X-Window環境中就和在Windows中相似，可以說是一個Linux版的Windows。

支持多種平臺

Linux可以運行在多種硬件平臺上，如具有x86、680x0、SPARC、Alpha等處理器的平臺。此外Linux還是一種嵌入式操作系統，可以運行在掌上電腦、機頂盒或遊戲機上。2001年1月份發佈的Linux 2.4版內核已經能夠完全支持Intel 64位芯片架構。同時Linux也支持多處理器技術。多個處理器同時工作，使系統性能大大提高。

文件類型

普通文件（regular file）：就是一般存取的文件，由ls-al顯示出來的屬性中，第一個屬性爲 [-]，例如 [-rwxrwxrwx]。另外，依照文件的內容，又大致可以分爲：

1、純文本文件（ASCII）：這是Unix系統中最多的一種文件類型，之所以稱爲純文本文件，是因爲內容可以直接讀到的數據，例如數字、字母等等。設置文件幾乎都屬於這種文件類型。舉例來說，使用命令「cat ~/.bashrc」就可以看到該文件的內容（cat是將文件內容讀出來）。

2、二進制文件（binary）：系統其實僅認識且可以執行二進制文件（binary file）。Linux中的可執行文件（腳本，文本方式的批處理文件不算）就是這種格式的。舉例來說，命令cat就是一個二進制文件。

3、數據格式的文件（data）：有些程序在運行過程中，會讀取某些特定格式的文件，那些特定格式的文件可以稱爲數據文件（data file）。舉例來說，Linux在用戶登入時，都會將登錄數據記錄在 /var/log/wtmp文件內，該文件是一個數據文件，它能通過last命令讀出來。但使用cat時，會讀出亂碼。因爲它是屬於一種特殊格式的文件。

4、目錄文件（directory）：就是目錄，第一個屬性爲[d]，例如 [drwxrwxrwx]。

連接文件（link）：類似Windows下面的快捷方式。第一個屬性爲 [l]，例如 [lrwxrwxrwx]。

5、設備與設備文件（device）：與系統外設及存儲等相關的一些文件，通常都集中在 /dev目錄。通常又分爲兩種：

塊設備文件：就是存儲數據以供系統存取的接口設備，簡單而言就是硬盤。例如一號硬盤的代碼是 /dev/hda1等文件。第一個屬性爲 [b]。

字符設備文件：即串行端口的接口設備，例如鍵盤、鼠標等等。第一個屬性爲 [c]。

6、套接字（sockets）：這類文件通常用在網絡數據連接。可以啓動一個程序來監聽客戶端的要求，客戶端就可以通過套接字來進行數據通信。第一個屬性爲 [s]，最常在 /var/run目錄中看到這種文件類型。

7、管道（FIFO,pipe）：FIFO也是一種特殊的文件類型，它主要的目的是，解決多個程序同時存取一個文件所造成的錯誤。FIFO是first-in-first-out（先進先出）的縮寫。第一個屬性爲 [p]

文件結構

/：根目錄，所有的目錄、文件、設備都在/之下，/就是Linux文件系統的組織者，也是最上級的領導者。

/bin：bin 就是二進制（binary）英文縮寫。在一般的系統當中，都可以在這個目錄下找到linux常用的命令。系統所需要的那些命令位於此目錄。

/boot：Linux的內核及引導系統程序所需要的文件目錄，比如 vmlinuz initrd.img 文件都位於這個目錄中。在一般情況下，GRUB或LILO系統引導管理器也位於這個目錄。

/cdrom：這個目錄在剛剛安裝系統的時候是空的。可以將光驅文件系統掛在這個目錄下。例如：mount /dev/cdrom /cdrom

/dev：dev 是設備（device)的英文縮寫。這個目錄對所有的用戶都十分重要。因爲在這個目錄中包含了所有linux系統中使用的外部設備。但是這裏並不是放的外部設備的驅動程序。這一點和常用的windows,dos操作系統不一樣。它實際上是一個訪問這些外部設備的端口。可以非常方便地去訪問這些外部設備，和訪問一個文件，一個目錄沒有任何區別。

/etc：etc這個目錄是linux系統中最重要的目錄之一。在這個目錄下存放了系統管理時要用到的各種配置文件和子目錄。要用到的網絡配置文件，文件系統，x系統配置文件，設備配置信息，設置用戶信息等都在這個目錄下。

/home：如果建立一個用戶，用戶名是"xx",那麼在/home目錄下就有一個對應的/home/xx路徑，用來存放用戶的主目錄。

/lib：lib是庫（library）英文縮寫。這個目錄是用來存放系統動態連接共享庫的。幾乎所有的應用程序都會用到這個目錄下的共享庫。因此，千萬不要輕易對這個目錄進行什麼操作，一旦發生問題，系統就不能工作了。

/lost+found：在ext2或ext3文件系統中，當系統意外崩潰或機器意外關機，而產生一些文件碎片放在這裏。當系統啓動的過程中fsck工具會檢查這裏，並修復已經損壞的文件系統。有時系統發生問題，有很多的文件被移到這個目錄中，可能會用手工的方式來修復，或移到文件到原來的位置上。

/mnt：這個目錄一般是用於存放掛載儲存設備的掛載目錄的，比如有cdrom等目錄。可以參看/etc/fstab的定義。

/media：有些linux的發行版使用這個目錄來掛載那些usb接口的移動硬盤（包括U盤）、CD/DVD驅動器等等。

/opt：這裏主要存放那些可選的程序。

/proc：可以在這個目錄下獲取系統信息。這些信息是在內存中，由系統自己產生的。

/root：Linux超級權限用戶root的家目錄。

/sbin：這個目錄是用來存放系統管理員的系統管理程序。大多是涉及系統管理的命令的存放，是超級權限用戶root的可執行命令存放地，普通用戶無權限執行這個目錄下的命令，這個目錄和/usr/sbin; /usr/X11R6/sbin或/usr/local/sbin目錄是相似的，凡是目錄sbin中包含的都是root權限才能執行的。

/selinux ：對SElinux的一些配置文件目錄，SElinux可以讓linux更加安全。

/srv 服務啓動後，所需訪問的數據目錄，舉個例子來說，www服務啓動讀取的網頁數據就可以放在/srv/www中

/tmp：臨時文件目錄，用來存放不同程序執行時產生的臨時文件。有時用戶運行程序的時候，會產生臨時文件。/tmp就用來存放臨時文件的。/var/tmp目錄和這個目錄相似。

/usr：這是linux系統中佔用硬盤空間最大的目錄。用戶的很多應用程序和文件都存放在這個目錄下。在這個目錄下，可以找到那些不適合放在/bin或/etc目錄下的額外的工具

/usr/local：這裏主要存放那些手動安裝的軟件，即不是通過「新立得」或apt-get安裝的軟件。它和/usr目錄具有相類似的目錄結構。讓軟件包管理器來管理/usr目錄，而把自定義的腳本（scripts)放到/usr/local目錄下面、。

/usr/share ：系統共用的東西存放地，比如/usr/share/fonts 是字體目錄，/usr/share/doc和/usr/share/man幫助文件。

/var：這個目錄的內容是經常變動的，看名字就知道，可以理解爲vary的縮寫，/var下有/var/log 這是用來存放系統日誌的目錄。/var/ www目錄是定義Apache服務器站點存放目錄；/var/lib 用來存放一些庫文件，比如MySQL的，以及MySQL數據庫的的存放地。

如上。相信讀者已經對Linux操作系統有了一個概觀。對於一些具體命令。筆者決定需要用到的時候再做說明。現在我們來看看第二個概念：

2、什麼是Linux設備驅動

設備驅動最通俗的解釋就是驅使硬件設備行動。驅動與底層硬件直接打交道，按照硬件設備的具體工作方式，讀寫設備的寄存器，完成設備的輪詢、中斷處理、DMA通信，進行物理內存向虛擬內存的映射等，最終讓通信設備能收發數據，讓顯示設備能顯示文字和畫面，讓存儲設備能記錄文件和數據。

Linux設備驅動是對底層硬件資源的抽象。對上層的操作系統其他服務提供一個良好的接口。讓其他服務可以把一個特定的硬件。或是一種機制當做一個文件使用。使用通用的系統調用進行調用。

3、關於串口的種種

衆所周知。我們現在的計算機上面有很多接口。如USB。網口。並口等。串口總線是其中的一個。串行接口簡稱串口，也稱串行通信接口或串行通訊接口（通常指COM接口），是採用串行通信方式的擴展接口。

串行接口 (Serial Interface) 是指數據一位一位地順序傳送，其特點是通信線路簡單，只要一對傳輸線就可以實現雙向通信（可以直接利用電話線作爲傳輸線），從而大大降低了成本，特別適用於遠距離通信，但傳送速度較慢。一條信息的各位數據被逐位按順序傳送的通訊方式稱爲串行通訊。

串行通訊的特點是：數據位的傳送，按位順序進行，最少只需一根傳輸線即可完成；成本低但傳送速度慢。串行通訊的距離可以從幾米到幾千米；根據信息的傳送方向，串行通訊可以進一步分爲單工、半雙工和全雙工三種。

串口通信的兩種最基本的方式：同步串行通信方式和異步串行通信方式。

同步串行是指SPI（SerialPeripheral interface）的縮寫，顧名思義就是串行外圍設備接口。SPI總線系統是一種同步串行外設接口，它可以使MCU與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息，TRM450是SPI接口。

異步串行是指UART（UniversalAsynchronous Receiver/Transmitter），通用異步接收/發送。UART是一個並行輸入成爲串行輸出的芯片，通常集成在主板上。UART包含TTL電平的串口和RS232電平的串口。

TTL電平是3.3V的，而RS232是負邏輯電平，它定義+5_{+12V爲低電平，而-12}-5V爲高電平，MDS2710、MDS SD4、EL805等是RS232接口，EL806有TTL接口。

串行接口按電氣標準及協議來分包括RS-232-C、RS-422、RS485等。

RS-232

也稱標準串口，最常用的一種串行通訊接口。它是在1970年由美國電子工業協會（EIA）聯合貝爾系統、調制解調器廠家及計算機終端生產廠家共同制定的用於串行通訊的標準。

它的全名是「數據終端設備（DTE）和數據通訊設備（DCE）之間串行二進制數據交換接口技術標準」。傳統的RS-232-C接口標準有22根線，採用標準25芯D型插頭座（DB25），後來使用簡化爲9芯D型插座（DB9），現在應用中25芯插頭座已很少採用。

RS-232採取不平衡傳輸方式，即所謂單端通訊。由於其發送電平與接收電平的差僅爲2V至3V左右，所以其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分佈電容，其傳送距離最大爲約15米，最高速率爲20kb/s。RS-232是爲點對點（即只用一對收、發設備）通訊而設計的，其驅動器負載爲3～7kΩ。所以RS-232適合本地設備之間的通信。

RS-422

標準全稱是「平衡電壓數字接口電路的電氣特性」，它定義了接口電路的特性。典型的RS-422是四線接口。實際上還有一根信號地線，共5根線。其DB9連接器引腳定義。由於接收器採用高輸入阻抗和發送驅動器比RS232更強的驅動能力，故允許在相同傳輸線上連接多個接收節點，最多可接10個節點。

即一個主設備（Master），其餘爲從設備（Slave），從設備之間不能通信，所以RS-422支持點對多的雙向通信。接收器輸入阻抗爲4k，故發端最大負載能力是10×4k+100Ω（終接電阻）。

RS-422四線接口由於採用單獨的發送和接收通道，因此不必控制數據方向，各裝置之間任何必須的信號交換均可以按軟件方式（XON/XOFF握手）或硬件方式（一對單獨的雙絞線）實現。

RS-422的最大傳輸距離爲1219米，最大傳輸速率爲10Mb/s。其平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，纔可能達到最大傳輸距離。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長的雙絞線上所能獲得的最大傳輸速率僅爲1Mb/s。

RS-485

是從RS-422基礎上發展而來的，所以RS-485許多電氣規定與RS-422相仿。如都採用平衡傳輸方式、都需要在傳輸線上接終接電阻等。RS-485可以採用二線與四線方式，二線制可實現真正的多點雙向通信，而採用四線連接時，與RS-422一樣只能實現點對多的通信，即只能有一個主（Master）設備，其餘爲從設備，但它比RS-422有改進，無論四線還是二線連接方式總線上可多接到32個設備。

RS-485與RS-422的不同還在於其共模輸出電壓是不同的，RS-485是-7V至+12V之間，而RS-422在-7V至+7V之間，RS-485接收器最小輸入阻抗爲12kΩ、RS-422是4kΩ；由於RS-485滿足所有RS-422的規範，所以RS-485的驅動器可以在RS-422網絡中應用。

RS-485與RS-422一樣，其最大傳輸距離約爲1219米，最大傳輸速率爲10Mb/s。平衡雙絞線的長度與傳輸速率成反比，在100kb/s速率以下，纔可能使用規定最長的電纜長度。只有在很短的距離下才能獲得最高速率傳輸。一般100米長雙絞線最大傳輸速率僅爲1Mb/s。

筆者採用的RS-232串口通信協議。下面對其通信接線方法做簡要說明。目前較爲常用的串口有9針串口（DB9）和25針串口（DB25），通信距離較近時(<12m)，可以用電纜線直接連接標準RS232端口(RS422,RS485較遠)，若距離較遠，需附加調制解調器（MODEM）或其他相關設備。最爲簡單且常用的是三線制接法，即地、接收數據和發送數據三腳相連，這是最爲基本的接法，且直接用RS232相連。

上面是對微機標準串行口而言的，還有許多非標準設備，不做說明。

好了。到此爲止我們已經解決了一開始的三個問題。讓我們進入實際的代碼。實際的硬件來進行分析。

在一個硬件平臺上。硬件是可用的。我們必須要燒寫適當的軟體到平臺的RAM中。這樣CPU才能跳轉到最先的指令。然後慢慢加載各種資源。才能完成系統的自舉。

一般我們採用BootLoader進行硬件的初始化。並引導至操作系統核心。

筆者採用的BootLoader是u-Boot-1.1.16。Uboot是一個衆所周知的開源軟件。讀者僅需瞭解它起到了BootLoader的作用即可。這裏不多做解釋。僅對串口的連接和程序的下載作簡要說明：

將UBOOT目錄下的u-boot.bin下載到開發平臺上。在Windows打開設備管理器。選擇端口。從而找到正確的com口號。在此之前確保開發板的串口與筆記本的USB口連接。（因爲現在筆記本都沒有並口了。所以只能採用USB轉串口線。搭配開發板上的電平轉換芯片來完成串口連接目的。）

然後我們再使用一個工具。即SecureCRT。找到對應的com號。完成快速鏈接。波特率選擇115200。取消流控。

如果一切順利。在筆記本上就可以看到串口的類似下面的輸出。這就是傳說中的串口控制檯。

這個串口的指令功能是由Uboot本身完成的。並不是linux下的串口驅動。

引入此圖旨在讓讀者感性的認識到串口控制檯的功能是什麼。

下面正式開始對串口打開。發送。接收函數的分析。這裏向前引用一個函數。就是linux內核中幾種2440芯片通用的串口發送函數s3c24xx_serial_start_tx。函數聲明爲static voids3c24xx_serial_start_tx(struct uart_port *port)：函數定義在./linux/driver/tty/serial/samsung.c中。

好了。我們從這個目錄結構開始。說明大概的tty子系統驅動模型。

首先。最前面的linux是內核代碼的根目錄。如圖所示：

至此。我們面臨一個問題。linux內核是什麼。

Linux內核是什麼？

Linux是一種開源電腦操作系統內核。它是一個用C語言寫成，符合POSIX標準的類Unix操作系統。

Linux最早是由芬蘭黑客Linus Torvalds爲嘗試在英特爾x86架構上提供自由免費的類Unix操作系統而開發的。該計劃開始於1991年，在計劃的早期有一些Minix 黑客提供了協助，而今天全球無數程序員正在爲該計劃無償提供幫助。

Linux是一個一體化內核（monolithickernel）系統。「內核」指的是一個提供硬件抽象層、磁盤及文件系統控制、多任務等功能的系統軟件。一個內核不是一套完整的操作系統。

一套基於Linux內核的完整操作系統叫作Linux操作系統，或是GNU/Linux。設備驅動程序可以完全訪問硬件。Linux內的設備驅動程序可以方便地以模塊化（modularize）的形式設置，並在系統運行期間可直接裝載或卸載。

操作系統是一個用來和硬件打交道併爲用戶程序提供一個有限服務集的低級支撐軟件。一個計算機系統是一個硬件和軟件的共生體，它們互相依賴，不可分割。計算機的硬件，含有外圍設備、處理器、內存、硬盤和其他的電子設備組成計算機的發動機。但是沒有軟件來操作和控制它，自身是不能工作的。

完成這個控制工作的軟件就稱爲操作系統，在Linux的術語中被稱爲「內核」，也可以稱爲「核心」。Linux內核的主要模塊（或組件）分以下幾個部分：存儲管理、CPU和進程管理、文件系統、設備管理和驅動、網絡通信，以及系統的初始化（引導）、系統調用等。

系統調用接口

SCI 層提供了某些機制執行從用戶空間到內核的函數調用。正如前面討論的一樣，這個接口依賴於體系結構，甚至在相同的處理器家族內也是如此。SCI 實際上是一個非常有用的函數調用多路複用和多路分解服務。在 ./linux/kernel 中您可以找到 SCI 的實現，並在 ./linux/arch 中找到依賴於體系結構的部分。

進程管理

進程管理的重點是進程的執行。在內核中，這些進程稱爲線程，代表了單獨的處理器虛擬化（線程代碼、數據、堆棧和 CPU寄存器）。在用戶空間，通常使用進程這個術語，不過 Linux 實現並沒有區分這兩個概念（進程和線程）。

內核通過 SCI 提供了一個應用程序編程接口（API）來創建一個新進程（fork、exec 或 Portable Operating System Interface [POSⅨ] 函數），停止進程（kill、exit），並在它們之間進行通信和同步（signal 或者 POSⅨ機制）。

進程管理還包括處理活動進程之間共享 CPU的需求。內核實現了一種新型的調度算法，不管有多少個線程在競爭 CPU，這種算法都可以在固定時間內進行操作。這種算法就稱爲 O⑴調度程序，這個名字就表示它調度多個線程所使用的時間和調度一個線程所使用的時間是相同的。

O⑴調度程序也可以支持多處理器（稱爲對稱多處理器或 SMP）。您可以在 ./linux/kernel 中找到進程管理的源代碼，在 ./linux/arch 中可以找到依賴於體系結構的源代碼。

內存管理

內核所管理的另外一個重要資源是內存。爲了提高效率，如果由硬管理虛擬內存，內存是按照所謂的內存頁方式進行管理的（對於大部分體系結構來說都是 4KB）。Linux 包括了管理可用內存的方式，以及物理和虛擬映射所使用的硬件機制。

不過內存管理要管理的可不止 4KB緩衝區。Linux 提供了對 4KB緩衝區的抽象，例如 slab 分配器。這種內存管理模式使用 4KB緩衝區爲基數，然後從中分配結構，並跟蹤內存頁使用情況，比如哪些內存頁是滿的，哪些頁面沒有完全使用，哪些頁面爲空。這樣就允許該模式根據系統需要來動態調整內存使用。

爲了支持多個用戶使用內存，有時會出現可用內存被消耗光的情況。由於這個原因，頁面可以移出內存並放入磁盤中。這個過程稱爲交換，因爲頁面會被從內存交換到硬盤上。內存管理的源代碼可以在 ./linux/mm 中找到。

虛擬文件系統

虛擬文件系統（VFS）是 Linux 內核中非常有用的一個方面，因爲它爲文件系統提供了一個通用的接口抽象。VFS 在 SCI 和內核所支持的文件系統之間提供了一個交換層。

VFS 在用戶和文件系統之間提供了一個交換層

在 VFS 上面，是對諸如 open、close、read 和 write 之類的函數的一個通用 API 抽象。在 VFS 下面是文件系統抽象，它定義了上層函數的實現方式。它們是給定文件系統（超過 50 個）的插件。文件系統的源代碼可以在 ./linux/fs 中找到。

文件系統層之下是緩衝區緩存，它爲文件系統層提供了一個通用函數集（與具體文件系統無關）。這個緩存層通過將數據保留一段時間（或者隨即預先讀取數據以便在需要是就可用）優化了對物理設備的訪問。緩衝區緩存之下是設備驅動程序，它實現了特定物理設備的接口。

好了。相信讀者已經對linuxkernel 有了一個概觀。下面我們繼續分析這個路徑背後代表的模型結構。（./linux/driver/tty/serial/samsung.c）

driver是驅動程序的目錄。如圖所示：

前文對linux設備驅動程序有了一個大概的描述。下面我們具體看一下linux下的驅動。

縱覽linux/drivers目錄，大概還有35個以上的子目錄，每個子目錄基本上就代表了一種設備驅動，有atm、block、char、misc、input、net、usb、sound、video等。這裏只描述在嵌入式系統裏面用得最爲廣泛的3種設備。

1．字符設備（char device）

字符設備是Linux最簡單的設備，可以像文件一樣訪問。初始化字符設備時，它的設備驅動程序向Linux登記，並在字符設備向量表中增加一個device_struct數據結構條目，這個設備的主設備標識符用做這個向量表的索引。

一個設備的主設備標識符是固定的。chrdevs向量表中的每一個條目，一個device_struct數據結構，包括兩個元素：一個登記設備驅動程序名稱的指針和一個指向一組文件操作的指針。可以參考的代碼是include/linux/ major.h。

一般來說像鼠標、串口、鍵盤等設備都屬於字符設備。

2．塊設備（block device）

塊設備是文件系統的物質基礎，它也可以像文件一樣被訪問。Linux用blkdevs向量表維護已經登記的塊設備文件。它像chrdevs向量表一樣，使用設備的主設備號作爲索引。它的條目也是device_struct數據結構。與字符設備不同的是，塊設備分爲SCSI類和IDE類。

向Linux內核登記並向核心提供文件操作。一種塊設備類的設備驅動程序向這種類提供和類相關的接口。可以參考的代碼是fs/devices.c。

每一個塊設備驅動程序必須提供普通的文件操作接口和對於buffer cache的接口。每一個塊設備驅動程序填充blk_dev向量表中的blk_dev_struct數據結構。此向量表的索引是設備的主設備號。其中blk_dev_struct數據結構包括一個請求例程的地址和一個指針，指向一個request數據結構的列表，每一個都表達buffer cache向設備讀/寫一塊數據的一個請求。

可以參考的源代碼是drivers/block/ll_rw_blk.c和include/linux/blkdev.h。

當buffer cache從一個已登記的設備讀/寫一塊數據，或者希望讀、寫一塊數據到其他位置時，就在blk_dev_struct中增加一個request數據結構。每個request數據結構都有一個指向一個或多個buffer_head數據結構的指針，每一個都是讀/寫一塊數據的請求。

如果buffer_head數據結構被鎖定（buffer_cache），可能會有一個進程在等待這個緩衝區的阻塞進程完成。每一個request數據結構都是從all_request表中分配的。如果request增加到空的request列表中，就調用驅動程序的request函數處理這個request隊列，否則驅動程序只是簡單地處理request隊列中的每一個請求。

塊設備驅動程序和字符設備驅動程序的主要區別是：在對字符設備發出讀、寫請求時，實際的硬件I/O一般緊接着就發生了，塊設備則不然，它利用一塊系統內存作爲緩衝區，當用戶進程對設備請求能滿足用戶的要求時，就返回請求的數據，如果不能就調用請求函數來進行實際的I/O操作。塊設備是主要針對磁盤等慢速設備的，以免耗費過多的CPU時間來等待。

塊設備主要有硬盤、光盤驅動器等。可以查看文件/proc/devices獲得。

3．網絡設備（net device）

網絡設備在系統中的作用類似於一個已掛載的塊設備。塊設備將自己註冊到blk_dev數據及其他內核結構中，然後通過自己的request函數在發生請求時傳輸和接收數據塊，同樣網絡設備也必須在特定的數據結構中註冊自己，以便與外界交換數據包時被調用。網絡設備在Linux裏做專門的處理。Linux的網絡系統主要是基於BSD UNIX的Socket機制。在系統和驅動程序之間定義有專門的數據結構（sk_buff）進行數據的傳遞。系統裏支持對發送數據和接收數據的緩存，提供流量控制機制，提供對多協議的支持。

4．雜項設備（misc device）

雜項設備也是在嵌入式系統中用得比較多的一種設備驅動，在第11章裏面介紹的sub LCD和絃芯片的驅動等都是採用 misc device 的驅動方式實現的。在 Linux 內核的include\linux目錄下有Miscdevice.h文件，要把自己定義的misc device從設備定義在這裏。其實是因爲這些字符設備不符合預先確定的字符設備範疇，所有這些設備採用主編號10，一起歸於misc device，其實misc_register就是用主標號10調用register_chrdev()的。

這是driver目錄下的分類。我們主要調研的串口驅動。屬於TTY子系統。所以我們cd到tty目錄下。ls顯示裏面的文件。如圖所示：

下面對linux內核tty設備做一點簡要說明。

tty一詞源於Teletypes，或Teletypewriters，它是最早出現的一種終端設備，類似電傳打字機，由Teletype公司生產。最初tty是指連接到Unix系統上的物理或者虛擬終端。終端是一種字符型設備，通常使用tty來統稱各種類型的終端設備。隨着時間的推移，當通過串行口能夠建立起終端連接後，這個名字也用來指任何的串口設備。

它還有多種類，例如串口（ttySn、ttySACn、ttyOn）、USB到串口的轉換器(ttyUSBn)，還有需要特殊處理才能正常工作的調制解調器（比如傳統的WinModem類設備）等。tty虛擬設備支持虛擬控制檯，它能通過鍵盤及網絡連接或者通過xterm會話登錄到計算機上。

其實起初終端和控制檯都不是個人電腦的概念，而是多人共用的小型中型大型計算機上的概念。終端爲主機提供了人機接口，每個人都通過終端使用主機的資源。終端有字符終端和圖形終端兩種。一臺主機可以連很多終端。控制檯是一種特殊的人機接口, 是人控制主機的第一人機接口。

而主機對於控制檯的信任度高於其他終端。對此還可以結合內核啓動代碼中init進程打開/dev/console和執行兩次sys_dup（0），以及標準輸入、標準輸出、標準出錯，還有就是進程fork後的標準輸入輸出的複製情況來一起理解。而個人計算機只有控制檯,沒有終端。當然願意的話，可以在串口上連一兩臺字符啞終端。

但是linux按POSIX標準把個人計算機當成小型機來用,在控制檯上通過getty軟件虛擬了六個字符啞終端（或者叫虛擬控制檯終端tty1-tty6)(數量可以在/etc/inittab裏自己調整)和一個圖型終端, 在虛擬圖形終端中又可以通過軟件(如rxvt)再虛擬無限多個僞終端（pts/0等）。

但這全是虛擬的,雖然用起來一樣,但實際上沒有物理實體。所以在個人計算機上,只有一個實際的控制檯,沒有終端,所有終端都是在控制檯上用軟件模擬的。要把個人計算機當主機再通過串口或網卡外連真正的物理終端也可以,論成本，呵呵。誰會怎麼做呢。

終端按照其自身能力分類，可以分爲：

1、啞終端（瘦客戶端）

早期的計算機終端是通過串行RS-232通信的，它只能解釋有限數量的控制碼（CR，LF等），但沒有能力處理執行特殊的轉義序列功能（如清行、清屏或控制光標的位置）。簡單來說就是處理能力有限的終端機，他們一般基本上只具有和機械電傳打字機類似的有限功能。這種類型的終端稱爲啞終端。

現在仍然在現代類Unix系統上得到支持，通過設置環境變量TERM=dumb。啞終端有時用來指任何類型的通過RS-232連接的傳統計算機終端，不對數據進行本地處理或本地執行用戶程序的串行通信終端。啞終端有時也指功能有限，只有單色文本處理能力或直接傳輸每一個鍵入的字符而不等待主機輪詢的公共計算機終端。

2、智能終端（胖客戶端）

智能終端就是有能力處理轉義序列，也就是說處理能力較強的終端機。

Linux系統的終端設備一般有以下幾種：

1、 控制檯

系統控制檯/dev/console

/dev/console是系統控制檯，是與操作系統交互的設備。系統所產生的信息會發送到該設備上。平時我們看到的PC只有一個屏幕和鍵盤，它其實就是控制檯。目前只有在單用戶模式下，才允許用戶登錄控制檯/dev/console。（可以在單用戶模式下輸入tty命令進行確認）。

console有緩衝的概念，爲內核提供打印輸出。內核把要打印的內容裝入緩衝區__log_buff，然後由console來決定打印到哪裏（比如是tty0還是ttySn等）。console指向**的終端。歷史上，console指主機本身的屏幕和鍵盤，而tty指用電纜鏈接的其它位置的控制檯。

某些情況下console和tty0是一致的，就是當前所使用的是虛擬終端，也是**虛擬終端。所以有些資料中稱/dev/console是到/dev/tty0的符號鏈接，但是這樣說現在看來是不對的：根據內核文檔，在2.1.71之前，/dev/console根據不同系統設定，符號鏈接到/dev/tty0或者其他tty＊上，在2.1.71版本之後則完全由內核代碼內部控制它的映射。

如果一個終端設備要實現console功能，必須向內核註冊一個struct console結構，一般的串口驅動中都會有。如果設備要實現tty功能，必須要內核的tty子系統註冊一個struct tty_driver結構，註冊函數在drivers/tty/tty_io.c中。一個設備可以同時實現console和tty_driver，一般串口都這麼做。

當前控制檯：/dev/tty

這是應用程序中的概念，如果當前進程有控制終端（Controlling Terminal），那麼/dev/tty就是當前進程控制檯的設備文件。對於你登錄的shell，/dev/tty就是你使用的控制檯，設備號是（5,0）。不過它並不指任何物理意義上的控制檯，/dev/tty會映射到當前設備（使用命令「tty」可以查看它具體對應哪個實際物理控制檯設備）。輸出到/dev/tty的內容只會顯示在當前工作終端上（無論是登錄在ttyn中還是pty中）。

你如果在控制檯界面下(即字符界面下）那麼dev/tty就是映射到dev/tty1-6之間的一個（取決於你當前的控制檯號），但是如果你現在是在圖形界面（Xwindows），那麼你會發現現在的/dev/tty映射到的是/dev/pts的僞終端上。/dev/tty有些類似於到實際所使用終端設備的一個聯接。

你可以輸入命令「tty"，將顯示當前映射終端如：/dev/tty1或者/dev/pts/0等。也可以使用命令「ps -ax」來查看其他進程與哪個控制終端相連。

在當前終端中輸入 echo 「tekkaman」 > /dev/tty ，都會直接顯示在當前的終端中。

虛擬控制檯 /dev/ttyn

/dev/ttyn是進程虛擬控制檯，他們共享同一個真實的物理控制檯。如果在進程裏打開一個這樣的文件且該文件不是其他進程的控制檯時，那該文件就是這個進程的控制檯。

進程printf數據會輸出到這裏。在PC上，用戶可以使用alt+Fn切換控制檯，現在不知道怎麼回事我用Ctrl + Alt + Fn才能切換。這沒具體看過爲啥。可能是Linux沒有繼承UNIX這方面的傳統罷了。看起來感覺存在多個屏幕，這種虛擬控制檯對應tty1~n，其中：

/dev/tty1等代表第一個虛擬控制檯

例如當使用ALT+F2進行切換時，系統的虛擬控制檯爲/dev/tty2 ，當前控制檯（/dev/tty）則指向/dev/tty2

在UNIX系統中，計算機顯示器通常被稱爲控制檯（Console）。它仿真了類型爲Linux的一種終端，並且有一些設備特殊文件與之相關聯：tty0、tty1、tty2等。當你在控制檯上登錄時，使用的是tty1。使用Alt+[F1—F6]組合鍵時，我們就可以切換到tty2、tty3等上面去。

讀者可以登錄到不同的虛擬控制檯上去，因而可以讓系統同時有幾個不同的會話存在。

而比較特殊的是/dev/tty0，他代表當前虛擬控制檯，其實就是當前所使用虛擬控制檯的一個別名。因此不管當前正在使用哪個虛擬控制檯（注意：這裏是虛擬控制檯，不包括僞終端），系統信息都會重定位到/dev/tty0上。

只有系統或超級用戶root可以向/dev/tty0進行寫操作。tty0是系統自動打開的，但不用於用戶登錄。在Framebuffer設備沒有啓用的系統中，可以使用/dev/tty0訪問顯卡。

2、 僞終端pty(pseudo-tty)

僞終端(Pseudo Terminal)是終端的發展，爲滿足現在需求（比如網絡登陸、xwindow窗口的管理）。它是成對出現的邏輯終端設備(即master和slave設備, 對master的操作會反映到slave上)。它多用於模擬終端程序，是遠程登陸(telnet、ssh、xterm等)後創建的控制檯設備。

歷史上，有兩套僞終端軟件接口：

BSD接口：較簡單，master爲/dev/pty [p-za-e] [0-9a-f];slave爲 /dev/tty [p-za-e] [0-9a-f] ，它們都是配對的出現的。例如/dev/ptyp3和/dev/ttyp3。但由於在編程時要找到一個合適的終端需要逐個嘗試，所以逐漸被放棄。

Unix 98接口：使用一個/dev/ptmx作爲master設備，在每次打開操作時會得到一個master設備fd，並在/dev/pts/目錄下得到一個slave設備（如 /dev/pts/3和/dev/ptmx），這樣就避免了逐個嘗試的麻煩。

由於可能有好幾千個用戶登陸，所以/dev/pts/* 是動態生成的，不象其他設備文件是構建系統時就已經產生的硬盤節點(如果未使用devfs、udev、mdev等) 。第一個用戶登陸，設備文件爲/dev/pts/0，第二個爲/dev/pts/1，以此類推。它們並不與實際物理設備直接相關。現在大多數系統是通過此接口實現pty。

我們在X Window下打開的終端或使用telnet或ssh等方式登錄Linux主機，此時均通過pty設備。例如，如果某人在網上使用telnet程序連接到你的計算機上，則telnet程序就可能會打開/dev/ptmx設備獲取一個fd。此時一個getty程序就應該運行在對應的/dev/pts/* 上。當telnet從遠端獲取了一個字符時，該字符就會通過ptmx、pts/* 傳遞給 getty程序，而getty程序就會通過pts/* 、ptmx和telnet程序往網絡上返回「login:」字符串信息。這樣，登錄程序與telnet程序就通過「僞終端」進行通信。

telnet<—>/dev/ptmx(master)<—>pts/*(slave)<—>getty

如果一個程序把 pts/* 看作是一個串行端口設備，則它對該端口的讀/寫操作會反映在該邏輯終端設備對的另一個/dev/ptmx上，而/dev/ptmx則是另一個程序用於讀寫操作的邏輯設備。

這樣，兩個程序就可以通過這種邏輯設備進行互相交流，這很象是邏輯設備對之間的管道操作。對於pts/* ，任何設計成使用一個串行端口設備的程序都可以使用該邏輯設備。但對於使用/dev/ptmx的程序，則需要專門設計來使用/dev/ptmx邏輯設備。通過使用適當的軟件，就可以把兩個甚至多個僞終端設備連接到同一個物理串行端口上。

3、 串口終端（/dev/ttySn）

串行端口終端（Serial PortTerminal）是使用計算機串行端口連接的終端設備。計算機把每個串行端口都看作是一個字符設備。有段時間串行端口設備通常被稱爲終端設備，那時它的最大用途就是用來連接終端，所以這些串行端口所對應的設備名稱是/dev/tts/0（或/dev/ttyS0）、/dev/tts/1（或/dev /ttyS1）等，設備號分別是（4,0）、（4,1）等（對應於win系統下的COM1、COM2等）。若要向一個端口發送數據，可以在命令行上把標準輸出重定向到這些特殊文件名上即可。

我們可以在命令行提示符下鍵入：echotekkaman> /dev/ttyS1會把「tekkaman」發送到連接在ttyS1（COM2）端口的設備上。

在2.6以後的內核後、一些三星的芯片將串口終端設備節點命名爲ttySACn。TI的Omap系列芯片從2.6.37開始芯片自帶的UART設備開始使用專有的的omap-uart驅動，故設備節點命名爲ttyOn，以區別於使用8250驅動時的設備名「ttySn」。這其中包括筆者用到的這個S3C2440。所以我們在Uboot啓動參數中要設置console = ttySAC0纔可以。這一句的意思其實就是把ttySAC0當做我們的控制檯終端。

4、 其它類型終端

還針對很多不同的字符設備存在有很多其它種類的終端設備特殊文件，例如針對ISDN設備的/dev/ttyIn終端設備等。

好了。到此爲止。相信讀者已經對tty設備有了一個概觀。

因爲我們和開發板的人機交互的接口是Windows下的串口控制檯。這就是上面所說的控制檯終端。但是我們用了console = ttySAC0.即把串口終端當做控制檯終端。所以我們要研究具體的代碼需要cd到serial子目錄下。即串口終端目錄。ls顯示serial下的文件結點。如圖所示：

我們主要關心的是兩類文件。一類是與體系結構和板載資源無關的通用串口操作文件。（samsung.c）一類是與體系結構相關的硬件操作文件。（s3c2440.c s3c2410.c s5pv210.c等），我們爲了得到具體的調用鏈。在具體的發送函數中加入回溯。如圖所示。

我們得到的函數調用鏈是這樣的（以發送函數。即文件的寫操作爲例.

write->

sys_write->

vfs_write->

redirected_tty_write->

tty_write->

n_tty_write->

uart_write->

uart_start->

s3c24xx_serial_start_tx

從具體代碼上來看。這些函數基本上都是通過結構體中的函數指針調用。我們可以把這個調用鏈分爲三個部分。即tty子系統核心。tty鏈路規程。tty驅動

tty核心。是對整個tty設備的抽象。對用戶提供統一的接口。包括sys_write->vfs_write

tty線路規程。是對傳輸數據的格式化。在tty_ldisc_N_TTY變量中描述。包括redirected_tty_write->tty_write->n_tty_write->

tty驅動。是面向tty設備的硬件驅動。這裏面真正的對硬件進行操作。包括uart_write->uart_start->s3c24xx_serial_start_tx

這是從具體函數的角度來看的調用鏈。下面爲了從數據結構的角度來分析調用鏈。介紹linux內核中針對於這一個串口硬件的主要數據結構。對於具體的字段我們用到的時候再解釋。

uart_driver。

就是uart驅動程序結構。封裝了tty_driver，使得底層的UART驅動無需關心tty_driver具體定義如下。

uart_port

uart_port用於描述一個UART端口（直接對應於一個串口）的I/O端口或者IO內存地址等信息。

uart_ops定義了針對UART的一系列操作。注意這裏不要把uart_ops結構和uart_ops變量混淆。uart_ops結構是我們這裏的數據結構。而uart_ops變量則是一個tty_operations的變量。

在serial_core.c中定義了tty_operations的實例。即uart_ops變量，包含uart_open()；uart_close()；uart_send_xchar()等成員函數，這些函數借助uart_ops結構體中的成員函數來完成具體的操作：

uart_ops變量是tty_operations型的一個變量。如下圖所示：

uart_state是uart的狀態結構。

uart_info是uart的信息結構。在這個體系結構下定義爲s3c24xx_uart_info：

所以很顯然。用數據結構來描述函數調用鏈就是

uart_driver ->

uart_state->

uart_port->

uart_ops->

特定的函數指針。

初始化過程比較複雜。不贅述。從函數指針的調用流程爲主線。忽略一些入參檢查和內核中的信號量代碼。大致的初始化流程如下圖所示：

打開設備和初始化流程類似。如圖所示：

同理數據的發送和接收如圖所示：

這裏我們需要注意的是。使能發送並沒有真正的發送過程。而只是使能發送中斷

這一句：enable_irq(ourport->tx_irq);

這是因爲ARM9處理器上有一個循環緩衝。用戶從write系統調用傳下來的數據就會寫入這個UTXH0寄存器。發送完事之後處理器會產生一個內部中斷。我們通過這個內部中斷就可以實現流控過程、我們打開芯片手冊可以看到如下字樣（拿ARM11舉例也一樣，。這是ARM11的）：

如下才是發送中斷的ISR（Interrupt Service Routine）中斷服務例程。一個irqreturn_t類型的handler。

這個wr_regb(port, S3C2410_UTXH, port->x_char);就是往特定寄存器寫的過程。

至此我們的分析已經結束。相信讀者對於Linux下的tty子系統已經有一個概觀了。下面是這個uart驅動的總圖。結合數據結構的調用鏈。Linux內核完成了驅動模型和特定硬件的分離：

串口驅動數據結構總圖：

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直接來源 | 嵌入式大雜燴

原文：https://www.jianshu.com/p/3a9013b9569c

作者：Linkerist

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