深入浅出UART驱动开发与调试：从基础调试到虚拟驱动实现

发布于：2024-11-29 ⋅ 阅读:(9) ⋅ 点赞:(0)
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往期内容

本专栏往期内容：Uart子系统

  1. UART串口硬件介绍
  2. 深入理解TTY体系：设备节点与驱动程序框架详解
  3. Linux串口应用编程：从UART到GPS模块及字符设备驱动
  4. 解UART 子系统：Linux Kernel 4.9.88 中的核心结构体与设计详解
  5. IMX 平台UART驱动情景分析：注册篇
  6. IMX 平台UART驱动情景分析：open篇
  7. IMX 平台UART驱动情景分析：read篇–从硬件驱动到行规程的全链路剖析
  8. IMX 平台UART驱动情景分析：write篇–从 TTY 层到硬件驱动的写操作流程解析

interrupt子系统专栏：

  1. 专栏地址：interrupt子系统
  2. Linux 链式与层级中断控制器讲解：原理与驱动开发
    – 末片，有专栏内容观看顺序

pinctrl和gpio子系统专栏：

  1. 专栏地址：pinctrl和gpio子系统

  2. 编写虚拟的GPIO控制器的驱动程序：和pinctrl的交互使用

    – 末片，有专栏内容观看顺序

input子系统专栏：

  1. 专栏地址：input子系统
  2. input角度：I2C触摸屏驱动分析和编写一个简单的I2C驱动程序
    – 末片，有专栏内容观看顺序

I2C子系统专栏：

  1. 专栏地址：IIC子系统
  2. 具体芯片的IIC控制器驱动程序分析：i2c-imx.c-CSDN博客
    – 末篇，有专栏内容观看顺序

总线和设备树专栏：

  1. 专栏地址：总线和设备树
  2. 设备树与 Linux 内核设备驱动模型的整合-CSDN博客
    – 末篇，有专栏内容观看顺序

img

目录

1.UART驱动调试方法

img

1.1 怎么得到UART硬件上收发的数据

1.1.1 接收到的原始数据(收)

可以在接收中断函数里把它打印出来，这些数据也会存入UART对应的tty_port的buffer里：

img

imx_rxint
    // 读取硬件状态
    // 得到数据
    // 在对应的uart_port中更新统计信息, 比如sport->port.icount.rx++;
        ------添加打印---------
    // 把数据存入tty_port里的tty_buffer
    tty_insert_flip_char(port, rx, flg)
        ------添加打印，确保是否接收到数据---------
    // 通知行规程来处理
    tty_flip_buffer_push(port);
    	tty_schedule_flip(port);
			queue_work(system_unbound_wq, &buf->work); // 使用工作队列来处理
				// 对应flush_to_ldisc函数

1.1.2 发送出去的数据(发)

所有要发送出去的串口数据，都会通过uart_write函数发送，所有可以在uart_write中把它们打印出来：

imgimg

1.2 proc文件

1.2.1 /proc/interrupts

查看中断次数。

img

1.2.2 /proc/tty/drivers

img

1.2.3 /proc/tty/driver(非常有用)

img

1.2.4 /proc/tty/ldiscs

img

1.3 sys文件

在drivers\tty\serial\serial_core.c中，有如下代码：

img

这写代码会在/sys目录中创建串口的对应文件，查看这些文件可以得到串口的很多参数。

怎么找到这些文件？在开发板上执行：

cd /sys
find -name uartclk  // 就可以找到这些文件所在目录

2.编写虚拟UART驱动程序

2.1 要做的事

img

  • 注册一个uart_driver：它里面有名字、主次设备号等

  • 对于每一个port，调用uart_add_one_port，里面的核心是uart_ops，提供了硬件操作函数

    • uart_add_one_port由platform_driver的probe函数调用

    • 所以：

      • 编写设备树节点
      • 注册platform_driver

2.2 虚拟的UART

img为了做实验，还要创建一个虚拟文件：/proc/virt_uart_buf

  • 要发数据给虚拟串口时，执行：echo “xxx” > /proc/virt_uart_buf
  • 要读取虚拟串口的数据时，执行：cat /proc/virt_uart_buf

2.3 编程

📎virtual_uart.c

📎serial_send_recv.c – 测试程序

# 1. 使用不同的开发板内核时, 一定要修改KERN_DIR
# 2. KERN_DIR中的内核要事先配置、编译, 为了能编译内核, 要先设置下列环境变量:
# 2.1 ARCH,          比如: export ARCH=arm64
# 2.2 CROSS_COMPILE, 比如: export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
# 2.3 PATH,          比如: export PATH=$PATH:/home/book/100ask_roc-rk3399-pc/ToolChain-6.3.1/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin 
# 注意: 不同的开发板不同的编译器上述3个环境变量不一定相同,
#       请参考各开发板的高级用户使用手册

KERN_DIR = /home/book/100ask_imx6ull-sdk/Linux-4.9.88

all:
	make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules 

clean:
	make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean
	rm -rf modules.order

obj-m   += virtual_uart.o
/{
	virtual_uart: virtual_uart_100ask {
		compatible = "100ask,virtual_uart";
		
		interrupt-parent = <&intc>;
		interrupts = <GIC_SPI 99 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
		
	};
	
	
};

无非就是实现uart_driver、uart_ops、file_operations virt_uart_buf_fops、/proc/virt_uart_buf，采用plataform_driver

2.3.1 代码说明

1. 基本结构和宏定义

  • BUF_LEN 1024：定义了环形缓冲区的长度，1024字节。
  • NEXT_PLACE(i)：计算缓冲区的下一个位置，这里通过位与操作实现循环数组（环形缓冲区）。

2. 环形缓冲区相关

代码定义了两个环形缓冲区：

  • txbuf：发送缓冲区，用于存储要发送的数据。
  • rxbuf：接收缓冲区，用于存储接收的数据。

并定义了如下指针和变量：

  • tx_buf_r, tx_buf_w：发送缓冲区的读写位置。
  • rx_buf_w：接收缓冲区的写位置。

环形缓冲区的相关操作：

  • is_txbuf_empty()：判断发送缓冲区是否为空。
  • is_txbuf_full()：判断发送缓冲区是否已满。
  • txbuf_put()：向发送缓冲区放入一个字节。
  • txbuf_get()：从发送缓冲区取出一个字节。
  • txbuf_count()：计算缓冲区中的有效数据字节数。

3. UART驱动结构体

  • uart_driver virt_uart_drv：表示一个UART驱动结构体，其中包括驱动名称、设备名称、设备数量等信息。
struct uart_driver virt_uart_drv = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .driver_name = "VIRT_UART",
    .dev_name = "ttyVIRT",  //最后设备节点的名字：/dev/ttyVIRTx
    .major = 0, // 动态分配主设备号
    .minor = 0, // 动态分配次设备号
    .nr = 1,    // UART设备数量为1
};
  • uart_port virt_port：表示虚拟串口硬件信息（包含硬件资源配置），如I/O地址、IRQ、FIFO大小、操作集等。

4. proc文件系统的创建

  • proc_create()：创建一个proc文件，virt_uart_buf用来与用户空间交互。
uart_proc_file = proc_create("virt_uart_buf", 0, NULL, &virt_uart_buf_fops);

通过 /proc/virt_uart_buf 文件，可以读写虚拟UART的缓冲区。virt_uart_buf_fops是文件操作集，定义了read和write方法。

5. 文件操作函数

  • virt_uart_buf_read()：从虚拟UART的发送缓冲区读取数据，拷贝给用户空间的缓冲区。
ssize_t virt_uart_buf_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos) {
    int cnt = txbuf_count();
    int i;
    unsigned char val;
    cnt = (cnt > size) ? size : cnt; // 限制读取字节数
    for (i = 0; i < cnt; i++) {
        txbuf_get(&val); // 从环形缓冲区获取数据
        copy_to_user(buf + i, &val, 1); // 复制数据到用户空间
    }
    return cnt;
}
  • virt_uart_buf_write()：从用户空间接收数据，存入接收缓冲区，并模拟触发RX中断。
static ssize_t virt_uart_buf_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *off) {
    copy_from_user(rxbuf, buf, size); // 从用户空间拷贝数据到接收缓冲区
    rx_buf_w = size; // 更新接收缓冲区写指针
    irq_set_irqchip_state(virt_port->irq, IRQCHIP_STATE_PENDING, 1); // 模拟RX中断
    return size;
}

6. UART操作函数

这些函数定义了UART操作，如启动、停止传输等：

  • virt_tx_empty()：判断发送缓冲区是否为空，这里总是返回1，因为数据在缓冲区瞬间发送完毕。
  • virt_start_tx()：开始发送数据。它从UART内部的环形缓冲区读取数据并写入txbuf，表示发送操作。
  • virt_set_termios()：配置UART波特率、停止位等参数，这里未实现。
  • virt_startup()：启动UART设备，这里返回0，表示不需要额外初始化。
  • virt_set_mctrl()和virt_get_mctrl()：控制UART调制解调器状态，暂未实现。
  • virt_shutdown()：关闭UART设备。
  • virt_type()：返回虚拟UART类型的字符串。

7. 中断处理函数

  • virt_uart_rxint()：虚拟的RX中断处理函数，处理接收的数据，将接收到的数据放入TTY层。
static irqreturn_t virt_uart_rxint(int irq, void *dev_id) {
    struct uart_port *port = dev_id;
    struct tty_port *tport = &port->state->port;
    unsigned long flags;
    int i;
    
    spin_lock_irqsave(&port->lock, flags);
    for (i = 0; i < rx_buf_w; i++) {
        port->icount.rx++; // 增加接收计数
        tty_insert_flip_char(tport, rxbuf[i], TTY_NORMAL); // 插入TTY缓冲区 / put data to ldisc
    }
    rx_buf_w = 0;
    spin_unlock_irqrestore(&port->lock, flags);
    tty_flip_buffer_push(tport); // 推送到用户空间
    return IRQ_HANDLED;
}

8. 平台设备驱动

  • virtual_uart_probe()：平台设备的探测函数，用于初始化UART设备并请求中断。这个函数负责：
static int virtual_uart_probe(struct platform_device *pdev) {
    rxirq = platform_get_irq(pdev, 0); // 获取中断号
    virt_port = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*virt_port), GFP_KERNEL); // 分配port结构体
    virt_port->irq = rxirq; // 设置中断号
    ret = devm_request_irq(&pdev->dev, rxirq, virt_uart_rxint, 0, dev_name(&pdev->dev), virt_port); // 注册中断
    return uart_add_one_port(&virt_uart_drv, virt_port); // 添加一个UART端口
}
  1. 创建proc文件。
  2. 从设备树中获取中断号并注册中断处理函数。
  3. 分配并初始化uart_port结构体，注册UART设备。
  • virtual_uart_remove()：用于清理和移除UART设备，包括删除proc文件和反注册UART端口。
static int virtual_uart_remove(struct platform_device *pdev) {
    uart_remove_one_port(&virt_uart_drv, virt_port);
    proc_remove(uart_proc_file);
    return 0;
}

9. 设备树匹配

  • of_device_id virtual_uart_of_match[]：定义设备树匹配表，用于匹配“100ask,virtual_uart”兼容字符串。

10. 平台驱动结构体

  • platform_driver virtual_uart_driver：定义平台驱动结构体，其中包含probe和remove函数，以及设备名称和设备树匹配表。

11. 模块初始化与退出

  • virtual_uart_init()：模块初始化函数，注册UART驱动并注册平台驱动。
  • virtual_uart_exit()：模块退出函数，反注册平台驱动和UART驱动。

调用关系总结：

  • 模块加载时，module_init()调用virtual_uart_init()，注册UART驱动并调用platform_driver_register()注册平台驱动。
  • virtual_uart_probe()会被调用，分配和初始化uart_port，注册中断处理函数并将UART端口注册到系统中。
  • 中断处理函数virt_uart_rxint()会在接收中断时被调用，处理接收的数据。
  • 用户可以通过/proc/virt_uart_buf文件读取和写入虚拟UART缓冲区，触发相关操作。

2.3.2 /proc文件

参考/proc/cmdline，怎么找到它对应的驱动？在Linux内核源码下执行以下命令搜索：

grep "cmdline" * -nr | grep proc

得到：

fs/proc/cmdline.c:26:   proc_create("cmdline", 0, NULL, &cmdline_proc_fops);

2.3.3. 触发中断

使用如下函数：

int irq_set_irqchip_state(unsigned int irq, enum irqchip_irq_state which,
              bool val);

怎么找到它的？在中断子系统中，我们知道往GIC寄存器GICD_ISPENDRn写入某一位就可以触发中断。内核代码中怎么访问这些寄存器？
在drivers\irqchip\irq-gic.c中可以看到irq_chip中的"irq_set_irqchip_state"被用来设置中断状态：

static struct irq_chip gic_chip = {
    .irq_mask		= gic_mask_irq,
    .irq_unmask		= gic_unmask_irq,
    .irq_eoi		= gic_eoi_irq,
    .irq_set_type		= gic_set_type,
    .irq_get_irqchip_state	= gic_irq_get_irqchip_state,
    .irq_set_irqchip_state	= gic_irq_set_irqchip_state, /* 2. 继续搜"irq_set_irqchip_state" */
    .flags			= IRQCHIP_SET_TYPE_MASKED |
                  IRQCHIP_SKIP_SET_WAKE |
                  IRQCHIP_MASK_ON_SUSPEND,
};

static int gic_irq_set_irqchip_state(struct irq_data *d,
                     enum irqchip_irq_state which, bool val)
{
    u32 reg;

    switch (which) {
    case IRQCHIP_STATE_PENDING:
        reg = val ? GIC_DIST_PENDING_SET : GIC_DIST_PENDING_CLEAR; /* 1. 找到寄存器 */
        break;

    case IRQCHIP_STATE_ACTIVE:
        reg = val ? GIC_DIST_ACTIVE_SET : GIC_DIST_ACTIVE_CLEAR;
        break;

    case IRQCHIP_STATE_MASKED:
        reg = val ? GIC_DIST_ENABLE_CLEAR : GIC_DIST_ENABLE_SET;
        break;

    default:
        return -EINVAL;
    }

    gic_poke_irq(d, reg);
    return 0;
}

继续搜"irq_set_irqchip_state"，在drivers\irqchip\irq-gic.c中可以看到：

int irq_set_irqchip_state(unsigned int irq, enum irqchip_irq_state which,
              bool val)
{
    ......
}

EXPORT_SYMBOL_GPL(irq_set_irqchip_state);

以后就可与使用如下代码触发某个中断：

irq_set_irqchip_state(irq, IRQCHIP_STATE_PENDING, 1);

2.4 调试

装载驱动程序后，可以知道其设备节点是：/dev/ttyVIRT0
运行测试程序后，出现了input/output error之类的错误，如何去调试查看呢？
>>>strace -o log.txt ./serial send recv /dev/ttyVIRT0
该命令会将输出信息保存到log.txt中，方便我们去查看

img

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