深入理解 RT-Thread I/O 設備模型 — 分析 UART設備源碼。

目錄

前言
一、初識 UART 操作函數（應用程序）
二、UART 的初始化

2.1 UART 設備初始化位置
2.2 UART 設備初始化函數分析
stm32_uart 結構體
UARTX_CONFIG
stm32_uart 結構體初始化
2.3 UART 設備初始化結果圖

三、UART 設備驅動框架層

設備驅動框架層如何與設備驅動層關聯

四、UART 設備驅動層

前言

上文我們認識了解了 RT-Thread I/O 設備模型，本來計劃是從最簡單的設備 GPIO 口開始講解 RT-Thread 的設備模型，但是實際上 PIN 設備模型有點特殊，并不是完美符合上一篇博文中 《2.3 訪問 I/O 設備相關》小結介紹的函數，所以這個我們放在后面文章說明。

而 UART 設備模型的操作完美貼合上一篇博文的介紹，所以我把 UART 設備先說明了，這樣更加加深一下對 RT-Thread I/O 設備模型的認識。

本文從 UART 設備驅動層 和 設備驅動框架層 分析 RT-Thread 中 UART 設備的實現。目的在于通過官方一個成熟的設備驅動的實例，讓我們確實的理解體會 RT-Thread I/O 設備模型。

本 RT-Thread 專欄記錄的開發環境：
RT-Thread記錄（一、RT-Thread 版本、RT-Thread Studio開發環境 及 配合CubeMX開發快速上手）
RT-Thread記錄（二、RT-Thread內核啟動流程 — 啟動文件和源碼分析）
RT-Thread 設備篇系列博文鏈接：
RT-Thread記錄（十、全面認識 RT-Thread I/O 設備模型）

一、初識 UART 操作函數（應用程序）

首先我們來看一下在 RT-Thread 中 UART 操作函數，這是模型框架中最上層的應用層所需要調用的函數，如下面的表格：

rt_device_find()	查找設備
rt_device_open()	打開設備
rt_device_read()	讀取數據
rt_device_write()	寫入數據
rt_device_control()	控制設備
rt_device_set_rx_indicate()	設置接收回調函數
rt_device_set_tx_complete()	設置發送完成回調函數
rt_device_close()	關閉設備

可以看到，對 UART 的操作和上一篇文章 《RT-Thread記錄（十、全面認識 RT-Thread I/O 設備模型）》 幾乎一模一樣，這也是前言中我說的為什么 UART 設備模型 是復習理解 RT-Thread I/O 設備模型的完美設備。

對于這些操作函數，是給最上層的應用程序使用的，我們要使用一個 UART 設備，應用程序最開始肯定是需要使用rt_device_find()查找設備，在上一篇文章說過，大部分常用的設備 RT-Thread 已經幫我們寫好了驅動，我們直接在應用層調用操作接口即可，UART的驅動也是 RT-Thread 已經寫好的。

那么我們該查找什么名字呢？RT-Thread 底層是如何實現的呢？ 帶著這些問題，我們從最開始來分析說明一下 RT-Thread 的 UART 設備。

?? 先列出 RT-Thread 的 UART 操作函數，讓我們對 UART 應用層的函數有個了解，然后帶著一些好奇讓我們從底層源碼來分析一下 RT-Thread 的 UART 設備。

二、UART 的初始化

首先，UART 設備作為一個外設，肯定需要初始化，我們在系列博文第二篇《RT-Thread記錄（二、RT-Thread內核啟動流程 — 啟動文件和源碼分析）》分析過 RT-Thread 初始化。

2.1 UART 設備初始化位置

在文中章節 “2.2.1 板級硬件初始化 — rt_hw_board_init” 講到了硬件初始化相關，如下圖：

在 rt_hw_board_init() 函數中有一個 hw_board_init，使用到的 UART 設備的初始化就在這個函數里面，如圖：

說明一下，這個hw_board_init里面初始化的哪些設備是和 RT-Thread 配置一一對應的。

注意到他們都是條件編譯，在 env 工具中配置了使用的外設之后，都會在這里進行初始化，對于我們使用 RT-Thread Studio 來說，就是如下圖所示：

2.2 UART 設備初始化函數分析

通過上文介紹，我們找到了 UART 設備的初始化函數 rt_hw_usart_init：

int rt_hw_usart_init(void)
{
    rt_size_t obj_num = sizeof(uart_obj) / sizeof(struct stm32_uart);
    struct serial_configure config = RT_SERIAL_CONFIG_DEFAULT;
    rt_err_t result = 0;

    stm32_uart_get_dma_config();

    for (int i = 0; i < obj_num; i++)
    {
        uart_obj[i].config = &uart_config[i];
        uart_obj[i].serial.ops    = &stm32_uart_ops;
        uart_obj[i].serial.config = config;
        /* register UART device */
        result = rt_hw_serial_register(&uart_obj[i].serial, uart_obj[i].config->name,
                                       RT_DEVICE_FLAG_RDWR
                                       | RT_DEVICE_FLAG_INT_RX
                                       | RT_DEVICE_FLAG_INT_TX
                                       | uart_obj[i].uart_dma_flag
                                       , NULL);
        RT_ASSERT(result == RT_EOK);
    }

    return result;
}

這個初始化函數直接看上去，只有一個函數我們比較熟悉rt_hw_serial_register，顧名思義，串口設備注冊函數，不同于簡單的 I/O 設備注冊函數 rt_device_register，說明它 UART 設備還有設備驅動框架層，這個rt_hw_serial_register就是 UART 設備驅動框架層定義的函數。

這個設備驅動層 和 設備驅動框架層我們待會再來說明，我們先從頭簡單分析一下這個 UART 設備驅動程序。

第一句，這個語句是為了確認一下有幾個串口設備需要進行初始化：

rt_size_t obj_num = sizeof(uart_obj) / sizeof(struct stm32_uart);

其中 uart_obj 有如下定義：

static struct stm32_uart uart_obj[sizeof(uart_config) / sizeof(uart_config[0])] = {0};

☆ uart_obj 是 stm32_uart 類型的結構體數組，其數組長度為sizeof(uart_config)/sizeof(uart_config[0]) ☆

stm32_uart 結構體

在 RT-Thread 操作系統中，對 UART設備的初始化，可以理解為就是對 stm32_uart 結構體對象 的初始化 。

我畫了一張結構圖如下：

stm32_uart 結構體這里我們先不分析里面具體的含義，在后文對應的地方都會有響應的說明，我們先回到初始化的問題上來。

我們接著上面分析，數組變量 uart_obj 的長度是多少呢？看一下 uart_config 是什么，如下圖：

uart_config 是 stm32_uart_config 類型的結構體數組，其數組長度是根據 RT-Thread 配置使用哪些串口決定的。

比如我們使用了 串口1 和 串口3，那么uart_config 就等于：

static struct stm32_uart_config uart_config[2] =
{
    UART1_CONFIG,
    UART3_CONFIG,
};

UARTX_CONFIG

這里講到 UART1_CONFIG 就順帶提一下，UART1_CONFIG 是 stm32_uart_config 類型的結構體，在RT-Thread 中是通過 宏定義來定義的：

引出這么多，我們回到最初的rt_hw_usart_init函數第一句的代碼：

rt_size_t obj_num = sizeof(uart_obj) / sizeof(struct stm32_uart);

以上面為例，只使用了 UART1 和 UART3 ，uart_obj數組長度為2，也就表明有2個stm32_uart 結構體的成員需要進行初始化，也就是需要初始化 2個 UART 設備。 上面句子中 obj_num = 2;

接下來的語句：

struct serial_configure config = RT_SERIAL_CONFIG_DEFAULT;

串口配置結構體，初始化等于默認配置，這里具體也好理解，看下圖便知：

再往下看，獲取串口 DMA 配置：

stm32_uart_get_dma_config();

函數如下，如果沒有使用DMA ，那么只會有一條語句，就是 uart_dma_flag = 0; 表示沒有使用DMA。

在上面我們介紹stm32_uart 結構體的時候，uart_dma_flag 就是這個結構體的一個成員變量。

stm32_uart 結構體初始化

再接下來就是uart_obj[i]的初始化了，有幾個串口就初始化幾遍：

 for (int i = 0; i < obj_num; i++)
    {
        uart_obj[i].config = &uart_config[i];
        uart_obj[i].serial.ops    = &stm32_uart_ops;
        uart_obj[i].serial.config = config;
        /* register UART device */
        result = rt_hw_serial_register(&uart_obj[i].serial, uart_obj[i].config->name,
                                       RT_DEVICE_FLAG_RDWR
                                       | RT_DEVICE_FLAG_INT_RX
                                       | RT_DEVICE_FLAG_INT_TX
                                       | uart_obj[i].uart_dma_flag
                                       , NULL);
        RT_ASSERT(result == RT_EOK);
    }

首先里面第一句：

uart_obj[i].config = &uart_config[i];

其中 uart_config[i] 就是我們上文說的 UARTX_CONFIG，通過宏定義定義的 stm32_uart_config 類型的結構體。

第二句：

 uart_obj[i].serial.ops    = &stm32_uart_ops;

上文分析過stm32_uart 結構體，但是并沒有深入分析其中的成員serial，它是 RT-Thread 的 UART 設備對象控制塊，其中ops為結構體類型的指針：

stm32_uart_ops為 RT-Thread 設備驅動層定義好的，其作用是指定 UART 設備的操作函數：

第三句：

uart_obj[i].serial.config = config;

上文講過的，默認都是RT_SERIAL_CONFIG_DEFAULT，如果我們需要修改，可以通過rt_device_control修改。

第四句：

result = rt_hw_serial_register(&uart_obj[i].serial, uart_obj[i].config->name,
                                       RT_DEVICE_FLAG_RDWR
                                       | RT_DEVICE_FLAG_INT_RX
                                       | RT_DEVICE_FLAG_INT_TX
                                       | uart_obj[i].uart_dma_flag
                                       , NULL);

這個函數就是我們講過的 I/O 設備模型中的設備注冊函數，如圖：

在上面初始化中：
uart_obj[i].serial 為 rt_serial_device 類型，就是 UART 設備的控制塊，它付給注冊函數第一個參數；
uart_obj[i].config->name 中的name名字，就是設備注冊后 使用rt_device_find() 尋找的名字。

其中rt_hw_serial_register函數屬于（設備驅動框架層的函數），他會調用通用的 rt_device_register（I/O設備管理層的函數）對 UART 設備進行注冊。

2.3 UART 設備初始化結果圖

經過上面的一系列分析，最終一個 UART設備初始化以后的結果如下圖所示：

?? UART 的初始化，最主要的是要了解 stm32_uart 結構體（以STM32驅動為例），通過對結構體的認識，初始化步驟的分析，讓我們認識到了RT-Thread 對于 UART 設備驅動層的設計，也讓我們接下來對認識 不同層之間如何聯系打下了一定的基礎。

三、UART 設備驅動框架層

我們回頭來看本文開頭說的 UART 那些操作函數，再結合上文所提到的初始，再結合上一篇文章《RT-Thread記錄（十、全面認識 RT-Thread I/O 設備模型）》的基礎，我們可以確定，上層應用所用到的UART 操作函數就是在使用rt_hw_serial_register 時候關聯到驅動框架層的：

而且再復習一下， 設備驅動框架層是 RT-Thread 系統的東西，官方已經寫好的，UART 設備驅動框架層的代碼為 serial.c，其位置如下圖：

在其對應的 serial.h 頭文件中包含了許多 UART 設備通用的宏定義，大家可以自行查看。

設備驅動框架層如何與設備驅動層關聯

☆在這里我們主要需要關注的就是，設備驅動框架層是如何 和 設備驅動層關聯起來的。☆

首先我們先看一下其中的幾個串口操作函數：

我們隨意查看其中一個函數查看，如下圖：

可以看到上圖有一句關鍵的代碼：

if (serial->ops->configure)
        result = serial->ops->configure(serial, &serial->config);

上面我們在將初始化的時候有過代碼：

/*
static const struct rt_uart_ops stm32_uart_ops =
{
    .configure = stm32_configure,
    .control = stm32_control,
    .putc = stm32_putc,
    .getc = stm32_getc,
    .dma_transmit = stm32_dma_transmit
};
*/
uart_obj[i].serial.ops    = &stm32_uart_ops;

所以上面的表格可進一步的改為如下對應表格：

通過上面的分析，基本上有點撥云見日的感覺！

?? UART 設備驅動框架層是 RT-Thread 系統通用的，他上連接 I/O 設備管理層，下連接 設備驅動層。 通過分析，我們已經知道他們之間如何關聯。

四、UART 設備驅動層

其實在上面的文章分析的時候已經說清楚了 UART 設備驅動是如何與 設備驅動層關聯起來的。

在 RT-Thread 中，我們的 UART 設備驅動文件為：drv_usart.c ，其位置位于 drivers 文件夾下面：

這一層就是與我們使用的硬件設備直接關聯的一層，我們在上面介紹的 UART 設備初始化函數也在這個驅動文件中。

再次復習一下，設備驅動層是與使用的硬件直接關聯的，因為使用的是STM32 ，其很多地方都調用了 ST官方 HAL 庫的定義，是在 HAL 庫的基礎之上實現的驅動代碼。

我們只選幾個部分做示例說明，在驅動中下面幾個函數肯定是有的：

配置函數：

我們看一下驅動層的配置函數stm32_configure，不難發現這個函數其實和裸機中的差不多，其中還調用了 HAL 庫中的 HAL_UART_Init函數（函數還是比較簡單的，我們這里說明一下舉個例子即可）：

static rt_err_t stm32_configure(struct rt_serial_device *serial, struct serial_configure *cfg)
{
    struct stm32_uart *uart;
    RT_ASSERT(serial != RT_NULL);
    RT_ASSERT(cfg != RT_NULL);

    uart = rt_container_of(serial, struct stm32_uart, serial);

    /* uart clock enable */
    stm32_uart_clk_enable(uart->config);
    /* uart gpio clock enable and gpio pin init */
    stm32_gpio_configure(uart->config);

    uart->handle.Instance          = uart->config->Instance;
    uart->handle.Init.BaudRate     = cfg->baud_rate;
    uart->handle.Init.HwFlowCtl    = UART_HWCONTROL_NONE;
    uart->handle.Init.Mode         = UART_MODE_TX_RX;
    uart->handle.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
    switch (cfg->data_bits)
    {
    case DATA_BITS_8:
        uart->handle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
        break;
    case DATA_BITS_9:
        uart->handle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_9B;
        break;
    default:
        uart->handle.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
        break;
    }
    switch (cfg->stop_bits)
    {
    case STOP_BITS_1:
        uart->handle.Init.StopBits   = UART_STOPBITS_1;
        break;
    case STOP_BITS_2:
        uart->handle.Init.StopBits   = UART_STOPBITS_2;
        break;
    default:
        uart->handle.Init.StopBits   = UART_STOPBITS_1;
        break;
    }
    switch (cfg->parity)
    {
    case PARITY_NONE:
        uart->handle.Init.Parity     = UART_PARITY_NONE;
        break;
    case PARITY_ODD:
        uart->handle.Init.Parity     = UART_PARITY_ODD;
        break;
    case PARITY_EVEN:
        uart->handle.Init.Parity     = UART_PARITY_EVEN;
        break;
    default:
        uart->handle.Init.Parity     = UART_PARITY_NONE;
        break;
    }

    if (HAL_UART_Init(&uart->handle) != HAL_OK)
    {
        return -RT_ERROR;
    }

    return RT_EOK;

發送函數：

關于中斷：

中斷入口函數還是我們熟悉的USART1_IRQHandler，其流程如下圖所示：

UART 設備驅動層直接與 UART 硬件相關，其中函數都可以直接對硬件進行操作，其實上層應用可以直接調用 驅動層的函數使用，很多函數的實現基于官方的HAL 庫。

結語

本文通過對 UART設備初始化分析，對 UART 設備模型各層次的源碼關聯進行對應說明，通過現成的UART 設備模型，我們更加的理解了 RT-Thread 的I/O 設備模型，最后總結如圖所示：

其實從應用來說，知道不知道底層的這些實現都沒有太大的關系，所以即便一下子看不懂也沒有關系，多看看源碼，靜下心來好看還是不難理解的。

?? 如果上一篇博文還沒能理解 RT-Thread I/O 設備模型，那么加上這篇文章，你一定行 (*￣︶￣) ??

為了加深對 RT-Thread 的I/O 設備模型的說明，本文花了不少時間，在接下來的設備使用測試中，如果不是特除情況，應該就不會再進行這樣的分析了，我們就要正式進入 RT-Thread 設備的使用學習過程。

下一篇文章我們就要從 UART 設備使用開始學習 RT-Thread 設備的使用。