继续走读基于 Linux 6.6.123 内核的ttyserial串口驱动之serial_core抽象层。
学习驱动开发，走读驱动源码的一个核心内容是要理解这种驱动设计的意图，而不只是看代码怎么实现的。
serial_core.c 是 Linux内核 中串口驱动的核心框架代码，它抽象了串口（UART）驱动的通用逻辑，为具体硬件的 UART 驱动（如 8250、ttyAMA 等）提供统一的上层接口和通用功能实现。本文从核心功能、关键设计理念、核心数据结构、核心函数流程四个维度展开分析。
一 核心功能定位
serial_core.c 的核心目标是解耦串口通用逻辑与硬件专属逻辑：
- 向上：对接 Linux TTY 子系统，提供符合 TTY 框架的操作接口（如
tty_operations 实现）；
- 向下：定义
uart_ops 硬件操作接口，让具体 UART 驱动只需实现硬件相关逻辑，无需关心 TTY 层的通用流程；
- 中间层：实现串口通用功能（波特率计算、流控、中断调度、PM 管理、RS485 配置、状态管理等）。
二 核心数据结构
[1]. 核心结构体关系
[2]. 关键结构体解析
三 核心功能模块解析
[1]. TTY 子系统对接
serial_core 实现了 TTY 子系统要求的 tty_operations 接口，核心函数包括：
uart_start / uart_stop：启动 / 停止串口发送（对接 TTY 层的发送控制）；uart_write：将用户数据写入串口发送缓冲区（环形缓冲区 circ_buf）；uart_write_room：返回发送缓冲区剩余空间；uart_throttle / uart_unthrottle：流控（XON/XOFF/CTS/RTS）的节流 / 解除节流；uart_flush_buffer：清空发送缓冲区；uart_tiocmget / uart_tiocmset：获取/设置 Modem 控制线（DTR/RTS/CTS 等）。
关键逻辑：发送缓冲区管理
串口发送采用环形缓冲区（circ_buf） 设计：
- 用户数据先写入
uart_state->xmit 环形缓冲区；
- 硬件发送中断触发时，驱动从缓冲区取数据写入硬件 FIFO；
uart_write_wakeup：当缓冲区数据量低于阈值时，唤醒 TTY 层继续写数据；__uart_start：核心发送启动逻辑，包含 PM 运行时管理（确保硬件处于激活状态）。
[2]. 波特率与参数配置
波特率计算
uart_get_baud_rate：解析 termios 中的波特率配置，处理特殊速率（如 38400 对应自定义速率），保底 9600；uart_get_divisor：根据 UART 时钟（uartclk）和目标波特率，计算硬件分频系数（uartclk/(16*baud)）；uart_update_timeout：根据帧大小（数据位 + 校验位 + 停止位）和波特率，计算帧超时时间（用于 FIFO 超时判断）。
串口参数设置
uart_change_line_settings：根据 termios 更新硬件参数（波特率、数据位、校验位、流控等），调用硬件 set_termios 接口；uart_set_mctrl / uart_clear_mctrl：设置 / 清除 Modem 控制线（DTR/RTS），处理 RS485 模式下的控制线特殊逻辑。
[3]. 串口启停与生命周期管理
启动流程（uart_startup）
关闭流程（uart_shutdown）
- 清除 TTY 错误标记，停止发送；
- 关闭 DTR/RTS（若配置 HUPCL）；
- 释放发送缓冲区（避免锁死，缓冲区释放不持有端口锁）；
- 重置 PM 状态，清理运行时资源。
[4]. 流控（Flow Control）管理
支持软件流控（XON/XOFF） 和硬件流控（CTS/RTS）：
uart_throttle：节流时，若开启硬件流控则清除 RTS，若开启软件流控则发送 XOFF；uart_unthrottle：解除节流时，恢复 RTS 或发送 XON；uart_send_xchar：发送高优先级的 XON/XOFF 字符（绕过普通发送缓冲区）；- 硬件流控额外逻辑：检测 CTS 状态变化，通过
hw_stopped 标记控制发送启停。
[5]. RS485 模式支持
RS485 是串口的半双工总线模式，serial_core 提供通用配置框架：
uart_check_rs485_flags：校验 RS485 配置标志的合法性（驱动是否支持）；uart_sanitize_serial_rs485：sanitize 配置（如 RTS 延时上限、默认 RTS 模式）；uart_set_rs485_termination：通过 GPIO 控制 RS485 总线终端电阻；uart_set_rs485_rx_during_tx：控制是否允许发送时接收（半双工 / 全双工）；- 硬件驱动需实现
rs485_config 接口，完成具体的 RS485 硬件配置。
[6]. 中断与状态统计
uart_icount：统计串口各类中断事件（收 / 发字节、帧错误、溢出、Modem 状态变化等）；uart_get_icount：向用户态暴露中断统计数据；uart_wait_modem_status：等待 Modem 状态（DCD/RI/DSR/CTS）变化，用于用户态同步等待；uart_break_ctl：控制串口 Break 信号（硬件专属实现）。
[7]. 电源管理（PM）
集成 Linux 运行时 PM 框架，确保串口仅在活跃时耗电：
__uart_start：调用 pm_runtime_get 增加 PM 引用计数，激活硬件；pm_runtime_put_autosuspend：使用自动挂起机制，闲置时自动进入低功耗；uart_change_pm：切换串口 PM 状态（ON/SUSPEND）。
[8]. 并发与锁机制
串口是共享资源，serial_core 设计了多层锁保证并发安全：
核心宏封装：
uart_port_lock：加锁时自动增加引用计数，解锁时释放；uart_port_unlock：解锁 + 引用计数减一，避免锁与引用计数不一致。
四 设计理念
[1]. 分层与抽象（Separation of Concerns）
- 通用逻辑与硬件解耦：serial_core 实现 TTY 对接、缓冲区管理、波特率计算、流控等通用逻辑，具体硬件驱动只需实现
uart_ops 接口（如 start_tx / set_termios）；
- TTY子系统 适配：向上屏蔽串口特性，以标准 TTY 接口对接，符合 Linux 字符设备统一框架；
- 硬件无关性：通过
uart_port 抽象硬件属性，支持不同总线（IO/MMIO）、不同架构的 UART。
[2]. 模块化与可扩展
- 接口化设计：
uart_ops 定义硬件驱动的最小实现集，驱动可按需实现扩展接口（如 rs485_config、verify_port）；
- RS485 扩展：通过
serial_rs485 结构体和 GPIO 控制，兼容不同硬件的 RS485 实现；
- PM 扩展：集成 runtime PM，驱动无需关心 PM 框架细节，只需适配核心的 PM 调用。
[3]. 健壮性与容错
- 边界检查：关键函数（如
uart_write_wakeup）通过 BUG_ON 检查非法状态（如端口已关闭）；
- 资源清理：缓冲区释放、PM 引用计数、锁的释放都做了容错处理（如
pm_runtime_put_noidle 处理 PM 错误）；
- 权限控制：修改串口硬件配置（如 IO 基址、中断）需
CAP_SYS_ADMIN 权限，避免普通用户篡改；
- 降级处理：波特率配置非法时，自动降级到旧配置或 9600 保底。
[4]. 性能优化
- 环形缓冲区：减少数据拷贝，提高发送效率；
- 自旋锁 + 引用计数：中断上下文使用自旋锁（低延迟），进程上下文使用互斥锁，兼顾性能与安全；
- runtime PM：仅在活跃时激活硬件，降低功耗；
- 锁粒度优化：
port->lock 为端口级自旋锁，而非全局锁，减少并发冲突。
[5]. 兼容性
- legacy 兼容：支持旧版 RS485 标志、自定义波特率（
UPF_SPD_MASK）等历史特性；
- TTY 标准兼容：严格遵循 TTY 子系统接口规范，保证用户态工具（如
stty）可正常使用；
- 架构兼容：通过
uart_port 的 iotype（IO/MMIO）、regshift 等字段，适配不同架构的硬件寻址方式。
五 总结
serial_core.c 是 Linux 串口驱动的“骨架”，它的设计核心是抽象通用逻辑、暴露硬件接口、对接上层框架：
- 对上层（TTY）：提供标准的字符设备接口，隐藏串口硬件细节；
- 对下层（硬件驱动）：封装通用流程（缓冲区、流控、PM、锁），只需实现硬件专属操作；
- 对用户：保证串口操作的一致性（如
setserial、stty 工具通用），同时支持 RS485 等扩展特性。
这种设计既符合 Linux 内核“复用、解耦、可扩展”的核心思想，也兼顾了串口驱动的高性能、高可靠性和硬件兼容性。
以上是关于 Linux 6.6.123 内核中 serial_core.c 的源码分析内容。 | 
发表于 13 小时前
|
查看: 3|
回复: 0
