linux虛擬串口控制器驅動實現——適用於無開發板學習串口驅動

在上一章我們已經說明了uart驅動的開發流程，本章我們就不再介紹uart相關的接口實現，僅通過實現一個虛擬的串口控制器程序，用以說明虛擬串口的開發流程。

本次開發的虛擬串口提供的功能如下：

1. 提供兩個串口實例
2. 串口名稱的前綴為vttyU
3. 為了驗證串口收發，提供了loopback機制，即應用程序向虛擬串口寫入數據後，數據再回環至應用程序；
4. 在/sys目錄下提供數據寫入屬性文件，可向虛擬串口中寫入數據，用以模擬串口接收數據的功能

本次開發的代碼涉及的模塊包括：

1. 創建兩個platform device，分別對應兩個虛擬串口的platform device；
2. 創建一個platform driver，在platform driver的probe接口中，完成虛擬串口的註冊，主要是完成uart_add_one_port接口完成虛擬串口的註冊；在platform driver的remove接口中，完成虛擬串口的註銷；
3. 在串口驅動的初始化函數中，調用uart_register_driver，uart driver的註冊。

數據結構說明

在虛擬串口驅動中，定義了數據結構virtual_uart_port，該數據結構中包含了uart_port。並定義了tx_enable_flag、rx_enable_flag，分別用於控制串口收發，因是虛擬串口所以使用這兩個變量進行表示，若是真是的串口控制器，則不需要這兩個變量，而只需要在uart_ops->startup、uart_ops->stop_rx、uart_ops->stop_tx中關閉中斷即可，這兩個變量由自旋鎖write_lock進行保護。

uart_driver定義及註冊

定義virtual_uart_driver，本串口控制器驅動支持的串口個數為MAX_VIRTUAL_UART（6個）、而dev_name則為該虛擬串口對應字符設備文件名稱的前綴，本次定義前綴為“vttyU”，本串口不支持控制檯。調用uart_register_driver即完成本串口控制器驅動的註冊與註銷

Platform device定義及註冊

本次我們主要完成了串口的註冊，因此我們定義並註冊了兩個platform device，而傳遞的參數為串口的index的。接口定義如下所示，platform device的name為“virtual_uart_port_dev”，根據該名稱可完成與platform driver的匹配及探測功能（因我們在ubuntu16.04下完成的驗證，沒有設備樹概念，因此就定義了這兩個platform device，若支持設備樹，則無須我們手動定義這兩個platform device，只需要修改設備樹文件即可）。

Platform driver的定義及註冊

我們的platform driver的定義如下，支持probe、remove接口，probe接口主要完成uart port的註冊、remove接口主要完成uart port註銷，該platform driver的name為“virtual_uart_port_dev”，通過該名稱可進行platform device與platform driver的匹配檢測，同時我們也定義了of_device_id，若內核支持設備樹，則在設備樹中的compatible中也設置“jerry_chg,virtual-uart”，即可完成platform device與platform driver的匹配檢測。

virtual_uart_port_platform_probe接口的定義如下，主要實現的功能如下：

1. 為uart_port申請內存，並設置uart_port的ops、fifosize、type、line等值，另外還可為該uart_port創建uart_port相關的私有屬性文件（sysfs下），而在linux3.10的內核中uart_port中並沒有定義attr_group變量，導致uart_add_one_port接口只能在tty_port對應device中創建uart核心定義的屬性文件，而不能創建uart port私有的屬性文件，而在後面的內核中特意增加了attr_group，用於創建uart port私有的屬性文件，這個成員變量增加的挺好，本次虛擬串口就藉助該變量創建了屬性文件uart_receive_buff，用於模擬串口接收數據。
2. 初始化一個工作隊列及其回調函數virtual_uart_flush_to_port，該接口主要是模擬串口發送中斷的功能，在真實的串口控制器中，則是申請串口中斷，在串口中斷的處理函數中進行數據的發送，而我們這個工作隊列則是模擬串口中斷函數的功能；
3. 調用uart_add_one_port，完成串口的添加。

Uart port操作接口定義

我們為虛擬串口定義的操作接口如下

1. 其中tx_empty接口用於測試發送緩存是否為空（uart_port的環形緩衝區）；
2. stop_tx用於停止發送操作（在真實串口控制器驅動中，則關閉發送中斷即可）；
3. start_tx用於啟動發送操作（在真實串口控制器驅動中，則開啟發送中斷，然後則觸發發送中斷，繼而在發送中斷處理接口中執行數據的發送操作，而在我們的虛擬串口中，則調用schedule_work，啟動工作隊列，調用工作隊列的回調函數進行數據發送）；
4. throttle、unthrottle則是流控操作，在真實串口中則設置相應定時器即可（本驅動未實現該功能）；
5. stop_rx用於停止接收操作（在真實串口控制器驅動中，則關閉接收中斷即可）
6. startup接口主要是啟動串口功能（在真實串口控制器驅動中，則申請中斷，並使能接收中斷；而發送中斷的使能在start_tx中實現，而在我們虛擬串口驅動中，則是使能收發數據的flag）；
7. set_termios則主要是設置termios相關參數（包括字節寬度、波特率等參數的設置）；

而set_mctrl接口則一定要定義，即使是一個空函數也要定義。

模擬串口接收功能實現

因為我們是虛擬串口，但是又要模擬串口接收功能，因此我們在tty port對應的device中，定義了模擬串口接收數據的屬性文件，定義如下：

當用戶向該屬性文件（uart_receive_buff）中寫數據時，則在該屬性文件的store接口中，將寫入的數據發送到tty_port的接收緩存中，並通過調用tty_flip_buffer_push接口，將tty_port接收緩存中的數據通過線路規程的receive_buff接口將數據刷新到tty_struct的接收緩存中，並wakeup讀等待隊列中sleep的讀線程（這一系統的操作流程可參考我之前寫的幾篇文檔），即將數據發送的該串口上的讀線程中。

我們可以通過如下腳本向uart_receive_buff寫數據，從而模擬串口接收數據

測試驗證

1. 在應用程序中打開/dev/vttyU1，進行數據接收；
2. 向/sys/class/tty/vttyU1/uart_receive_buff寫數據，則上述1中的進程即會接收到數據，測試截圖如下

至此我們完成了虛擬串口驅動代碼的實現以及驗證工作，我們也完成了tty子系統、uart子系統架構內部實現流程的分析，也完成了對應虛擬控制器驅動的實現及驗證，下一次我們開始進行input子系統的分析（關於本驅動的源碼，後續我們會把鏈接發出來）。