linux虚拟串口控制器驱动开发及代码实现(uart driver)

    在上一章我们已经说明了uart驱动的开发流程，本章我们就不再介绍uart相关的接口实现，仅通过实现一个虚拟的串口控制器程序，用以说明虚拟串口的开发流程。

本次开发的虚拟串口提供的功能如下：

1. 提供两个串口实例
2. 串口名称的前缀为vttyU
3. 为了验证串口收发，提供了loopback机制，即应用程序向虚拟串口写入数据后，数据再回环至应用程序；
4. 在/sys目录下提供数据写入属性文件，可向虚拟串口中写入数据，用以模拟串口接收数据的功能

本次开发的代码涉及的模块包括：

1. 创建两个platform device，分别对应两个虚拟串口的platform device；
2. 创建一个platform driver，在platform driver的probe接口中，完成虚拟串口的注册，主要是完成uart_add_one_port接口完成虚拟串口的注册；在platform driver的remove接口中，完成虚拟串口的注销；
3. 在串口驱动的初始化函数中，调用uart_register_driver，uart driver的注册。

 

数据结构说明

 

      在虚拟串口驱动中，定义了数据结构virtual_uart_port，该数据结构中包含了uart_port。并定义了tx_enable_flag、rx_enable_flag，分别用于控制串口收发，因是虚拟串口所以使用这两个变量进行表示，若是真是的串口控制器，则不需要这两个变量，而只需要在uart_ops->startup、uart_ops->stop_rx、uart_ops->stop_tx中关闭中断即可，这两个变量由自旋锁write_lock进行保护。

 

 

uart_driver定义及注册

       定义virtual_uart_driver，本串口控制器驱动支持的串口个数为MAX_VIRTUAL_UART（6个）、而dev_name则为该虚拟串口对应字符设备文件名称的前缀，本次定义前缀为“vttyU”，本串口不支持控制台。调用uart_register_driver即完成本串口控制器驱动的注册与注销

 

 

Platform device定义及注册

 

       本次我们主要完成了串口的注册，因此我们定义并注册了两个platform device，而传递的参数为串口的index的。接口定义如下所示，platform device的name为“virtual_uart_port_dev”，根据该名称可完成与platform driver的匹配及探测功能（因我们在ubuntu16.04下完成的验证，没有设备树概念，因此就定义了这两个platform device，若支持设备树，则无须我们手动定义这两个platform device，只需要修改设备树文件即可）。

 

 

Platform driver的定义及注册

     我们的platform driver的定义如下，支持probe、remove接口，probe接口主要完成uart port的注册、remove接口主要完成uart port注销，该platform driver的name为“virtual_uart_port_dev”，通过该名称可进行platform device与platform driver的匹配检测，同时我们也定义了of_device_id，若内核支持设备树，则在设备树中的compatible中也设置“jerry_chg,virtual-uart”，即可完成platform device与platform driver的匹配检测。

 

virtual_uart_port_platform_probe接口的定义如下，主要实现的功能如下：

1. 为uart_port申请内存，并设置uart_port的ops、fifosize、type、line等值，另外还可为该uart_port创建uart_port相关的私有属性文件（sysfs下），而在linux3.10的内核中uart_port中并没有定义attr_group变量，导致uart_add_one_port接口只能在tty_port对应device中创建uart核心定义的属性文件，而不能创建uart port私有的属性文件，而在后面的内核中特意增加了attr_group，用于创建uart port私有的属性文件，这个成员变量增加的挺好，本次虚拟串口就借助该变量创建了属性文件uart_receive_buff，用于模拟串口接收数据。
2. 初始化一个工作队列及其回调函数virtual_uart_flush_to_port，该接口主要是模拟串口发送中断的功能，在真实的串口控制器中，则是申请串口中断，在串口中断的处理函数中进行数据的发送，而我们这个工作队列则是模拟串口中断函数的功能；
3. 调用uart_add_one_port，完成串口的添加。

 

 

Uart port操作接口定义

我们为虚拟串口定义的操作接口如下

1. 其中tx_empty接口用于测试发送缓存是否为空（uart_port的环形缓冲区）；
2. stop_tx用于停止发送操作（在真实串口控制器驱动中，则关闭发送中断即可）；
3. start_tx用于启动发送操作（在真实串口控制器驱动中，则开启发送中断，然后则触发发送中断，继而在发送中断处理接口中执行数据的发送操作，而在我们的虚拟串口中，则调用schedule_work，启动工作队列，调用工作队列的回调函数进行数据发送）；
4. throttle、unthrottle则是流控操作，在真实串口中则设置相应定时器即可（本驱动未实现该功能）；
5. stop_rx用于停止接收操作（在真实串口控制器驱动中，则关闭接收中断即可）
6. startup接口主要是启动串口功能（在真实串口控制器驱动中，则申请中断，并使能接收中断；而发送中断的使能在start_tx中实现，而在我们虚拟串口驱动中，则是使能收发数据的flag）；
7. set_termios则主要是设置termios相关参数（包括字节宽度、波特率等参数的设置）；

而set_mctrl接口则一定要定义，即使是一个空函数也要定义。

 

 

 

模拟串口接收功能实现

     因为我们是虚拟串口，但是又要模拟串口接收功能，因此我们在tty port对应的device中，定义了模拟串口接收数据的属性文件，定义如下：

      当用户向该属性文件（uart_receive_buff）中写数据时，则在该属性文件的store接口中，将写入的数据发送到tty_port的接收缓存中，并通过调用tty_flip_buffer_push接口，将tty_port接收缓存中的数据通过线路规程的receive_buff接口将数据刷新到tty_struct的接收缓存中，并wakeup读等待队列中sleep的读线程（这一系统的操作流程可参考我之前写的几篇文档），即将数据发送的该串口上的读线程中。

我们可以通过如下脚本向uart_receive_buff写数据，从而模拟串口接收数据

 

 

 

测试验证

1. 在应用程序中打开/dev/vttyU1，进行数据接收；
2. 向/sys/class/tty/vttyU1/uart_receive_buff写数据，则上述1中的进程即会接收到数据，测试截图如下

 

 

 

       至此我们完成了虚拟串口驱动代码的实现以及验证工作，我们也完成了tty子系统、uart子系统架构内部实现流程的分析，也完成了对应虚拟控制器驱动的实现及验证，下一次我们开始进行input子系统的分析（关于本驱动的源码，后续我们会把链接发出来）。