uart是Universal Asynchronous Receiver and Transmitter的縮寫.翻譯成中文即為”通用非同步收發器”.它是串列埠裝置驅動的封裝層。它是linux在tty的基礎上又做了一層封裝，通過該封裝層，可以比較容易的編寫新的串列埠驅動程式。

一、uart資料結構

uart建立在tty之上，它是真實的驅動和tty之間的橋樑，其涉及到的關鍵資料結構及其相互關係如下圖所示：

從上圖可以看出，一個uart_driver就對應一個tty_driver，而一個uart_driver可以包括多個uart_state，每個uart_state對應一個uart_device，每個uart_device都有自己的tty_port、uart_port以及收發快取。

circ_buf是一個傳送快取，在寫資料時，當tty層呼叫驅動提供的寫函式時，資料會首先進入circ_buf的環形快取區，然後由uart_port從快取區中取資料，將其寫入到串列埠裝置中。

當uart_port從串列埠裝置接收到資料時，它會直接將資料放入tty的快取中（tty快取屬於tty_port），進而放入對應的line discipline的快取區中。

二、和其它模組的關係

2.1 和上層即tty的關係

從設計的角度上，uart依賴於tty，但是tty並不依賴於uart層存在，所以uart需要提供給tty的介面都以函式指標的形式儲存在某種資料結構中，並且會通過tty提供的通用介面註冊到tty中，以供tty隨後呼叫，這也是一種很常見的設計方式。uart提供給tty的介面都儲存在資料結構tty_operations中，並通過tty_set_operations註冊到了tty中。

因此uart需要上層提供一些介面給它，比較重要的幾個為

1. alloc_tty_driver：申請一個tty驅動的資料結構
2. tty_set_operations：註冊uart的操作函式到tty中。
3. tty_port_init、tty_register_driver：初始化tty_port資料結構、釋放tty_port關聯的快取
4. tty_register_driver：註冊tty驅動到tty中
   
5. tty_port_register_device_attr：將一個tty設備註冊到系統中
   
6. tty_unregister_device：將一個tty裝置從系統中刪除
   
7. tty_insert_flip_char和tty_insert_flip_string：將字元插入到tty快取中

標為黑體的為最關鍵的i幾個，在uart的驅動中，所有的驅動都會被設定TTY_DRIVER_DYNAMIC_DEV標記，根據tty中的學習，我們知道這意味著在呼叫tty_register_driver時，裝置不會被註冊到系統中，也就是在uart註冊驅動時不會將裝置新增到系統中，將裝置新增到系統中的工作是由tty_port_register_device_attr完成的。一個uart_driver支援的裝置數目會被儲存在uart_driver資料結構的nr中，並且會儲存在相關聯的tty_driver的num中，在呼叫tty_register_driver時，系統會為該裝置分配相應數目的裝置號（起始裝置號取決於驅動是否指定了起始裝置號，如果沒有指定就由系統分配，否則取驅動設定的）。

2.2 和下層即真實驅動的關係

類似於uart層和tty層的關係，uart層被設計為不依賴於真實的驅動，因而它不會直接呼叫驅動的函式，所有它需要驅動提供的功能都儲存在uart_port的ops欄位所指向的資料結構中，驅動需要通過呼叫uart_register_driver將uart_driver註冊到uart框架中，uart_port中的資訊由驅動提供並負責填充。 uart框架向驅動提供的幾個最主要的介面包括:

1. uart_register_driver：將一個實際的串列埠驅動uart driver註冊到uart框架中，這一步會
   • 分配並初始化相關聯的tty_driver
   • 分配與每個uart_state關聯的tty_port的資料結構並初始化
   • 將tty驅動註冊到tty框架
2. uart_add_one_port：這一步在驅動檢測到了實際的物理裝置後執行（利用probe或者是手動），根據uart_port的資訊配置串列埠，並將其註冊到系統中，利用tty_port_register_device_attr完成。在完成者一步後(在這一步中會先將裝置新增到sysfs中，然後傳送udev訊息)，udev即可得到通知，udev機制會在dev下建立相應的裝置節點，隨後就可以使用該裝置了。
   
3. uart_insert_char：驅動通過該介面將資料送到uart框架，進而送到tty快取。需要注意的是，利用該介面時往往還要使用tty框架使用的介面tty_flip_buffer_push進一步將資料重新整理到tty對應的line discipline中去。當然也可以不做，而由line discipline的程式自己做，比如tty_ldisc_N_TTY就使用了tty_flush_to_ldisc來將資料刷到line discipline中。
   
4. uart_handle_dcd_change：處理載波檢測狀態改變事件。
   
5. uart_handle_cts_change：處理clear-to-send狀態改變事件，這個介面和上一個介面是uart提供的不依賴於tty的事件處理函式，“可以認為”是串列埠所特有的事件處理。
   

總體上uart和上下層的關係如下圖所示：

上層需要使用的下層的介面都是通過資料結構中的函式指標實現的，本圖沒有將它們畫出。

三、讀寫操作

3.1 開啟

類似於tty中的分析，open操作是最關鍵的操作，它由tty中的open呼叫，會：

1. 由tty找到uart_driver，這個在註冊驅動時會儲存在tty中
2. 由uart_driver以及tty的index找到對應的uart_state，tty的index在tty_open時由tty_init_dev呼叫initialize_tty_struct來設定，實際上即根據裝置的裝置號找到的
3. 將uart_state儲存在tty以及uart_port中
4. 將tty和tty_port關聯起來
5. 呼叫uart_startup將繼續初始化uart使得它可以開始工作

3.2 讀

讀操作實際上就是從裝置獲取資訊，linux tty以及uart的設計中，每個uart介面都對應一個tty，當串列埠收到資料時，它應該

1. 呼叫uart_insert_char將資料放入tty快取或者呼叫tty_prepare_flip_string/tty_prepare_flip_string_flags來申請一片tty快取，然後由自己把資料放到tty快取
2. 呼叫tty_flip_buffer_push和tty_schedule_flip或者通過其它機制將資料刷到line discipline中，然後由tty對應的line discipline讀出資料並返回給使用者

3.3 寫

寫就是將資料寫入到裝置中，linux tty以及uart的設計中，每個uart介面都對應一個tty，當串列埠收到資料時，當tty往uart寫資料時，它呼叫了uart的寫函式，uart的寫函式很簡單：

1. 將資料放入uart裝置對應的circ_buf中
2. 呼叫uart_start，該函式會最終呼叫驅動提供的start_tx函式來啟動傳送

3.4 其它操作

uart支援的其它操作是通過ioctl來實現的。包括設定串列埠的波特率，流控方式等等。