嵌入式与Linux那些事

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【驱动】串口驱动分析(一)-软件架构

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  区分不同的终端类型

  串行端口终端(/dev/ttySn)

  串行端口终端(Serial Port Terminal)是使用计算机串行端口连接的终端设备。计算机把每个串行端口都看作是一个字符设备。

  有段时间这些串行端口设备通常被称为终端设备,因为 那时它的最大用途就是用来连接终端。这些串行端口所对应的设备名称是/dev/tts/0(或/dev/ttyS0)、/dev/tts/1(或/dev /ttyS1)等,设备号分别是(4,0)、(4,1)等,分别对应于DOS系统下的COM1、COM2等。

  若要向一个端口发送数据,可以在命令行上把标 准输出重定向到这些特殊文件名上即可。例如,在命令行提示符下键入:echo test > /dev/ttyS1会把单词”test”发送到连接在ttyS1(COM2)端口的设备上。

  伪终端(/dev/pty/)

  伪终端 /dev/pts是远程登陆(telnet,ssh等)后创建的控制台设备文件所在的目录。

  由于可能有好几千个用户登陆,所以/dev/pts其实是动态生成的,不象其他设备文件是构建系统时就已经产生的硬盘节点(如果未使用devfs) 。

  第一个用户登陆,console的设备文件为/dev/pts/0,第二个为/dev/pts/1,以此类推。这里的0、1、2、3不是具体的标准输入或输出,而是整个控制台。你可尝试 echo "aaaaaa" > /dev/pts0、1、2……。

  控制终端(/dev/tty)

  控制终端 /dev/tty指的是当前所处的终端,输出到此的内容只会显示在当前工作的终端显示器上。

  如果当前进程有控制终端(Controlling Terminal)的话,那么/dev/tty就是当前进程的控制终端的设备特殊文件。可以使用命令”ps –ax”来查看进程与哪个控制终端相连。对于你登录的shell,/dev/tty就是你使用的终端,设备号是(5,0)。

  使用命令”tty”可以查看它具体对应哪个实际终端设备。/dev/tty有些类似于到实际所使用终端设备的一个联接。这个终端文件可以由各个用户共享

  控制台终端(/dev/ttyn, /dev/console)

  控制台终端/dev/ttyn n(0到6), tty1,tty2就是不同的虚拟终端(virtual console).

  /dev/console 就是tty0 ,tty0则是当前所使用虚拟终端即激活的虚拟终端的一个别名,系统所产生的信息会发送到该终端上,实际上机器只有一个屏幕,也就是我们看到的这个屏幕,可以理解为console指向激活的那个tty,准确地说是激活的那个tty才将输出显示到console。

  历史上,console指主机本身的屏幕键盘,而tty指用电缆链接的其它位置的控制台(仅包含屏幕和键盘)。tty0是系统自动打开的,但不用于用户登录。

  总结

  其实,上古时期,都有实体,理解完全不是难事。

  这个IBM的广告,美女左手是terminal,右手是console

  image.png

  terminal 相对的是console

  terminal是终端,不在主机上,远端控制

  console是主机上的面板开关,本机控制

  terminal是一个设备,最早借用了teletypewriter的产品形态,简称tty

  长得像台打字机,其实输入输出确实都打印在纸上

  后来进化出一个crt显示器

  所以上古时期,terminal包含tty,tty就是terminal的一种

  shell相对的是kernel

  那个时候有shell嘛?可能还没有出现

  实体terminal时代的逻辑流程图如下:

 image.png

  到了PC时代,本机自带了键盘鼠标,于是混乱就开始了

  实体的terminal设备,已经消失了,没有打字机形态的tty,也不存在video tty

  但是,基因被传承了下来,还是有terminal,tty这样的名称存在,并且逻辑上一以贯之

  shell作为kernel的中间层,也发明了出来,搞不清打开的是terminal还是shell

  来看一张图,其实会解决这个混乱

  image.png

  我们平时打开的iterm2之类的,实际上是terminal应用

  并不直接与shell交互,更不与kernel交互

  它是一个带显示器的远程对讲机,或者说是facetime,和虚拟master交互

  实体tty不存在了,但是虚拟出一个伪终端,pseudo tty,简称pty

  这个pty虚拟出来一个master,你可以理解成一个坐在实体终端机前面的小人

  pty又虚拟出一个slave,你可以理解成上古时代的终端机

  为什么要这样做呢?

  好比把之前主机的实体外设,在主机内部模拟了一下

  老的传统被传承了下来,设定有一个人,在敲终端机

  保持了系统的一贯性,只是各种名称,带来了混乱

  master与外部terminal应用交互,slave与shell交互,shell与kernel交互

  现代tty架构

  image.png

  串口驱动框架

  串口驱动,内核启动的时候,便初始化完成,后期应用层用到的时候,访问设备节点便,获取串口设备的 fd 句柄,然后设置相关的参数(波特率,停止位,校验位等等)便可以使用串口进行数据收发。

  Linux Kernel 的 UART 串口分为几层,tty 核心层,tty 线路规程,串行驱动核心层,以及下面对接具体芯片的 ops:

  image.png

  整个流程走下来,有太多的数据结构和 ops,要分析清楚整个流程,有两种方式:

  1、至上而下,即,从用户空间调用串口配置以及串口读写的角度来分析

  2、从底层注册开始分析

  本文先从底层注册开始分析,根据内核已知提供的接口,逐步打开魔盒,力求扩散到每一个常用的地方。

  tty  core

  tty core主要实现如下三类功能:

  将串口设备有关的物理对象(及其操作方法)封装成一个一个的数据结构,以达到用软件语言描述硬件的目的。

  向底层driver提供串口驱动的编程接口。

  基于TTY framework所提供的TTY driver的编写规则,将底层driver看到的serial driver,转换为TTY driver,并将所有的serial操作,转换为对应的tty操作。

  线路规程

  负责在串口设备之间进行上下文切换,以实现多任务调度。当有数据需要从串口设备发送或接收时,线程调度器会将任务切换到适当的设备上。

  串口硬件驱动层

  这个层次主要负责和具体的串口硬件进行通信,实现了对硬件的控制和访问。在内核中,串口驱动模块通常被实现为字符设备,通过字符设备接口与串口核心模块进行交互。它通过注册到串口核心层,实现了对上层的透明。

  小结

  tty core 和串口硬件驱动层是串口驱动框架的核心部分。在使用串口设备时,用户通常只需要与tty core模块进行交互,而不需要直接操作串口驱动模块和平台驱动模块。下一节我们将深入到串口驱动内部分析tty core的框架体系结构。

  本文参考

  https://blog.csdn.net/liusaoyue/article/details/5075745

  https://www.zhihu.com/question/21711307?sort=created

  https://blog.csdn.net/awks4002/article/details/102360209

原文链接:https://mp.weixin.qq.com/s/ej2U764DBdGh5LHgD6yLgA

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