第2章串口驱动原理

2.1 概述

在早期的计算机系统中，串口是最为常见的也较为简单的外部通信接口，只是现在随着各种方便快捷的外部接口如USB接口、以太网接口的出现，串口的应用逐渐减少。但是串口因为调试简单在许多数据量不大的场合依然较为流行。除了简单的通信功能之外，对于一些简单的计算机系统如单板机等等，由于缺少键盘和显示器，则可以借助串口对目标机中操作系统的运行情况进行监控等等。下图为Tornado开发软件通过串口对目标机上运行的VxWorks操作系统进行监控的结构原理图。

VxWorks UART Driver

图2.1 Tornado通过串口对vxWorks操作系统进行监控

如第一章所述，设备的驱动程序分为与硬件相关部分和硬件无关部分，硬件无关部分实现了一系列通用的数据接口，而硬件相关部分则负责具体的硬件实现。其中硬件无关部分实现是create、remove、open、close、read、write、ioctl等7个通用的函数接口。

这7个函数的原型在文件ioLib中进行定义。分别为：

int creat(const char *name,int flag)：

该函数创建了一个文件描述符fd。其中name为一个抽象文件的文件路径，这个抽象可以指硬盘上保存的一个文件，也可以是一个以字符串表示的一个设备，当文件描述符创建完毕后自动以参数flag打开该文件。

STATUS remove(const char *name)：

移除文件，name表明文件路径。

int open(const char *name,int flags,int mode)；

打开文件，准备访问。name为文件路径,flags为打开方式如只读、只写、读写以及不存在可创建等，mode为打开模式只有在NFS文件系统下才有效。打开成功后返回文件描述符。

STATUS close(int fd)；

关闭文件。fd为文件描述符。

int read(int fd,char *buffer,size_t maxbytes)；

从文件描述符fd指定的文件中读取最多maxbytes个字节，保存在buffer指定的位置。可能会由于文件长度的原因，实际读取的字节数小于maxbytes，函数返回实际读出的字节数。

int write(int fd,char *buffer,size_t nbytes)；

向文件描述符fd指定的文件中写入nbytes个字节的数据，原数据保存在buffer指针的内存中。可能会由于buffer空间等原因，实际写入的字节数小于nbytes，函数返回实际写入的字节数。

int ioctl(int fd,int function,int arg)；

控制函数，主要用于设置或读取设备的工作方式等特性。

上述这7个通用接口，也就是串口驱动的一个最根本的需求，即通过这几个函数就可以实现对串口控制芯片i8250的操作。下面进行详细分析。

2.2 VxWorks系统IO设备管理的数据结构

对VxWorks操作系统来说，在文件ioLib.c中实现了7个基本的操作函数create、remove、open、close、read、write、ioctl，使用这7个基本的函数，不但能够访问串口，而且还能够对网络、磁盘文件等多类设备进行访问。如图2.2.

VxWorks UART Driver

图2.2 ioLib库提供的通用接口

而函数库iosLib中则是上述各个接口的较为底层的实现。它首先根据访问设备类型的不同（普通磁盘文件和硬件设备）而将其分为两类，并用不同的数据结构描述，这里主要对结构DRV_ENTRY进行分析。如图2.3。

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图2.3 iosLib库提供的数据结构结构

数组drvTable的每个元素drvTable[i]对应一类设备，因此其下表i将是不同类型设备之间区分的一个重要的参考。由于0通常表示无效，因此drvTable[0]为空，不代表任何设备。图2.4给出了ioLib提供的通用函数和结构DRV_ENTRY的基本关系。图中的箭头表示调用关系，由调用者指向被调用者。

VxWorks UART Driver

图2.4 ioLib库与iosLib库的内部关系

由于数组drvTable的每个元素drvTable[i]对应一类设备，如果要使用某一类设备中的一个，如系统中两个串口的一个，就必须指明是哪个串口。在函数库ioLib中的7个通用函数中都有一个重要的参数name，表明文件的路径或者设备的名称，该名称具有唯一性，也就是一个name指向唯一一个文件或者唯一一个设备。下面要引入的数据结构是设备描述符，如图2.5所示，它在函数库iosLib中定义。

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图2.5 设备描述符

基本的设备描述符的数据结构为DEV_HDR，它描述了一些最为基本的信息，数组decTable的下标devnum和设备名称name，该设备序号即是ioLib库中使用的文件描述符fd。

综合起来设备描述符DRV_HDR、结构DRV_ENTRY以及7个通用函数库的关系可以用图2.6来描述。

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图2.6 DRV_HDR、DRV_ENTRY及通用接口之间的关系

上述通用接口可以满足网卡、串口等外围设备的需要，对于具体的外部设备，则需要对图2.6所说的通用接口进行扩展，如图2.7所示，这个扩展主要采用了两种手段，一是继承，即通过对结构DEV_HDR进行继承得到如串口、终端以及网卡等特殊类型的设备；而是多态，也就是对一个通用的接口，根据具体设备的不同而采取不同的函数。C不是面向对象语言，没有明确的类、继承和多态的概念，但是可以灵活地使用C达到同样的目的。

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图2.7 通用接口通过多态和继承得到扩展

图2.8则更为详细地描述了VxWorks操作系统对多个设备的管理。对每类设备的操作函数，系统创建了一个DRV_ENTRY结构数组来描述，每个DRV_ENTRY结构变量对应一类设备的操作函数，对某类设备的具体操作方式的设置则是通过设定DRV_ENTRY结构变量中的函数指针来实现的；对于同一类的设备，系统为其从DEV_HDR派生了一个数据结构，而每个结构变量则是对应该类设备中的每一个具体的设备，不同的设备通过双向链表链接在一起。

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