1. 介绍

8250是IBM PC及兼容机使用的一种串口芯片; 16550是一种带先进先出(FIFO)功能的8250系列串口芯片; 16550A则是16550的升级版本, 修复了FIFO相关BUG, 也是目前比较常见的串口芯片.

本文介绍的是Xilinx UART 驱动分析, 因为没有找到其datasheet, 硬件操作部分分析16550的实现.

Xilinx UART驱动主要由drivers/tty/serial/xilinx_uartps.c来实现
其相关配置和基本信息可参考<Zynq UART>

2. 结构体

uart_driverconsole结构变量, 以及实现了uart_ops函数操作集定义如下图所示

static struct uart_driver cdns_uart_uart_driver = {
.owner = THIS_MODULE,
.driver_name = CDNS_UART_NAME, /* xuartps */
.dev_name = CDNS_UART_TTY_NAME, /* ttyPS */
.major = CDNS_UART_MAJOR, /* 0, 注册时动态分配 */
.minor = CDNS_UART_MINOR, /* 0, 注册时动态分配*/
.nr = CDNS_UART_NR_PORTS, /* 2 */
#ifdef CONFIG_SERIAL_XILINX_PS_UART_CONSOLE
.cons = &cdns_uart_console, /* ttyPS */
#endif
}; static struct console cdns_uart_console = {
.name = CDNS_UART_TTY_NAME, /* ttyPS */
.write = cdns_uart_console_write,
.device = uart_console_device,
.setup = cdns_uart_console_setup,
.flags = CON_PRINTBUFFER,
.index = -, /* 由cmdline指定(e.g. console=ttyPS ) */
.data = &cdns_uart_uart_driver,
}; static const struct uart_ops cdns_uart_ops = {
.set_mctrl = cdns_uart_set_mctrl,
.get_mctrl = cdns_uart_get_mctrl,
.start_tx = cdns_uart_start_tx,
.stop_tx = cdns_uart_stop_tx,
.stop_rx = cdns_uart_stop_rx,
.tx_empty = cdns_uart_tx_empty,
.break_ctl = cdns_uart_break_ctl,
.set_termios = cdns_uart_set_termios,
.startup = cdns_uart_startup,
.shutdown = cdns_uart_shutdown,
.pm = cdns_uart_pm,
.type = cdns_uart_type,
.verify_port = cdns_uart_verify_port,
.request_port = cdns_uart_request_port,
.release_port = cdns_uart_release_port,
.config_port = cdns_uart_config_port,
#ifdef CONFIG_CONSOLE_POLL
.poll_get_char = cdns_uart_poll_get_char,
.poll_put_char = cdns_uart_poll_put_char,
#endif
};

3. 初始化

模块入口为cdns_uart_init
首先注册UART驱动

uart_register_driver(&cdns_uart_uart_driver);

随后又注册platform驱动

platform_driver_register(&cdns_uart_platform_driver);

其中cdns_uart_platform_driver定义如下

static const struct of_device_id cdns_uart_of_match[] = {
{ .compatible = "xlnx,xuartps", },
{ .compatible = "cdns,uart-r1p8", },
{ .compatible = "cdns,uart-r1p12", .data = &zynqmp_uart_def },
{ .compatible = "xlnx,zynqmp-uart", .data = &zynqmp_uart_def },
{}
}; static struct platform_driver cdns_uart_platform_driver = {
.probe = cdns_uart_probe,
.remove = cdns_uart_remove,
.driver = {
.name = CDNS_UART_NAME,
.of_match_table = cdns_uart_of_match,
.pm = &cdns_uart_dev_pm_ops,
},
};

而在arch/arm/boot/dts/zynq-7000.dtsi中, 定义了uart设备树相关信息

uart0: serial@e0000000 {
compatible = "xlnx,xuartps", "cdns,uart-r1p8";
status = "disabled";
clocks = <&clkc >, <&clkc >;
clock-names = "uart_clk", "pclk";
reg = <0xE0000000 0x1000>;
interrupts = < >;
}; uart1: serial@e0001000 {
compatible = "xlnx,xuartps", "cdns,uart-r1p8";
status = "disabled";
clocks = <&clkc >, <&clkc >;
clock-names = "uart_clk", "pclk";
reg = <0xE0001000 0x1000>;
interrupts = < >;
};

关于设备树, 可参考<Linux设备树解析>
从文章中我们知道内核会将设备树解析为platform_device, 匹配后则会调用cdns_uart_probe
下面以uart0驱动probe分析一下该函数

int cdns_uart_probe(struct platform_device *pdev)
{
int id, irq;
struct uart_port *port;
struct resource *res;
struct cdns_uart *cdns_uart_data; /* 分配驱动私有数据结构体 */
cdns_uart_data = devm_kzalloc(&pdev->dev, sizeof(*cdns_uart_data), GFP_KERNEL); /* 从dts获取时钟(clocks), pclk=40, uart_clk=23 */
cdns_uart_data->pclk = devm_clk_get(&pdev->dev, "pclk");
cdns_uart_data->uartclk = devm_clk_get(&pdev->dev, "uart_clk");
/* 准备时钟源 */
clk_prepare(cdns_uart_data->pclk);
clk_prepare(cdns_uart_data->uartclk); /* 从dts获取编址(reg), start=0xE0000000,end=0xE0001000 */
platform_get_resource(pdev, IORESOURCE_MEM, ); /* 从dts获取中断(interrupts), 中断号为27 !!! */
platform_get_irq(pdev, ); /* 获取设备编号, 此处为0 */
id = of_alias_get_id(pdev->dev.of_node, "serial"); /* 初始化uart端口 */
port = cdns_uart_get_port(id); /* 设置uart端口硬件相关参数 */
port->mapbase = res->start;
port->irq = irq;
port->dev = &pdev->dev;
port->uartclk = clk_get_rate(cdns_uart_data->uartclk);
port->private_data = cdns_uart_data;
cdns_uart_data->port = port;
platform_set_drvdata(pdev, port); /* 添加uart端口 */
uart_add_one_port(&cdns_uart_uart_driver, port);
} static struct uart_port cdns_uart_port[CDNS_UART_NR_PORTS]; /* 2 */
struct uart_port *cdns_uart_get_port(int id)
{
struct uart_port *port; /* 获取本地定义的uart_port结构体变量 */
port = &cdns_uart_port[id]; spin_lock_init(&port->lock);
port->membase = NULL;
port->irq = ;
port->type = PORT_UNKNOWN; /* 会在config_port中设置为PORT_XUARTPS */
port->iotype = UPIO_MEM32; /* 串口接口寄存器的地址类型 */
port->flags = UPF_BOOT_AUTOCONF; /* 该标志会使uart_add_one_port调用config_port */
port->ops = &cdns_uart_ops; /* 即前面定义的uart_ops函数操作集 */
port->fifosize = CDNS_UART_FIFO_SIZE; /* 64 */
port->line = id; /* 0 */
port->dev = NULL;
return port;
}

4. 16550介绍

16550寄存器信息如下

RBF定义如下

THR定义如下

IER定义如下

IIR定义如下

FCR定义如下

LCR定义如下

MCR定义如下

LSR定义如下

MSR定义如下

SCR定义如下

5. 硬件操作实现

这里分析8250/16550对uart_ops的实现serial8250_pops
主要代码位于drivers/tty/serial/8250/8250_port.c

tx_empty: serial8250_tx_empty
读取并判断LSR的第THRE、TEMT位是否为1

set_mctrl: serial8250_set_mctrl
将位设置(RTS、DTR、OUT1、OUT2、LOOP)写入MCR

get_mctrl: serial8250_get_mctrl
读取MSR, 即Modem Interface的当前状态

stop_tx: serial8250_stop_tx
禁用IER的THRI/ETBEI位

start_tx: serial8250_start_tx
启用IER的THRI/ETBEI位; 当LSR的THRE位为1, 通过操作THR将circ_buf的数据搬运至UART

stop_rx: serial8250_stop_rx
禁用IER的RLSI/ELSI和RDI/ERBFI位

enable_ms: serial8250_enable_ms
启用IER的MSI/EDSSI

break_ctl: serial8250_break_ctl
启动或者禁用LCR的SBC/SetBreak位

startup: serial8250_startup
1. 设置FCR清空FIFO缓冲区, 清空中断寄存器(LSR、RX、IIR、MSR), 初始化相关寄存器
2. 调用uart_8250_ops::setup_irq(univ8250_setup_irq)
3. 设置MCR寄存器
4. 为TX/RX请求DMA通道

univ8250_setup_irq
serial_link_irq_chain
request_irq
serial8250_interrupt
dw8250_handle_irq
/* 即uart_port::handle_irq */
serial8250_handle_irq
handle_rx_dma(Running here???)
serial8250_rx_dma
/* uart_8250_port::uart_8250_dma::rx_dma */
__dma_rx_complete
tty_insert_flip_string
/* 将数据插入接收数据缓冲区 */
tty_flip_buffer_push
/* 将数据搬至线路规程层 */
tty_schedule_flip
flush_to_ldisc
serial8250_rx_chars
serial8250_read_char
uart_insert_char
tty_insert_flip_char
/* 将数据插入接收数据缓冲区 */
tty_flip_buffer_push
/* 将数据搬至线路规程层 */
tty_schedule_flip
flush_to_ldisc

shutdown: serial8250_shutdown
初始化寄存器(...), 注销中断处理程序(???)

set_termios: serial8250_set_termios
设置相关寄存器(...)

set_ldisc: serial8250_set_ldisc
如果没有设置了Modem状态, 则禁用IER的MSI位

pm: serial8250_pm
休眠(???)

type: serial8250_type
获取硬件名称

release_port: serial8250_release_port
释放端口占用物理资源, 如Memory, I/O

request_port: serial8250_request_port
请求物理资源

config_port: serial8250_config_port
按照传入参数配置端口

verify_port: serial8250_verify_port
校验端口配置是否有效

参考:
<Xinu uart-ns16550>
<AXI UART 16550 v2.0>
<XPS 16550 UART v3.00>
<dw_apb_uart Databook>
<Serial UART information>

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