Linux TTY介绍
1. TTY介绍
TTY(TeleType)指Linux中的一类终端（Terminal）设备, 是一种字符设备
在Linux中, tty可分为如下几类
- 串行端口终端（serial port terminal）: 指使用计算机串行端口连接的终端设备, /dev/ttySn
- 伪终端（pseudo terminal）: 通常是通过ssh登陆的终端, /dev/pts/*
- 控制终端（controlling terminal）: 代表当前tty设备 /dev/tty
- 控制台终端（console）: 指计算机的输出设备, 通常是printk信息输出的设备, /dev/ttyn、/dev/console
详细定义如下
/* tty driver types */ #define TTY_DRIVER_TYPE_SYSTEM 0x0001 #define TTY_DRIVER_TYPE_CONSOLE 0x0002 #define TTY_DRIVER_TYPE_SERIAL 0x0003 #define TTY_DRIVER_TYPE_PTY 0x0004 #define TTY_DRIVER_TYPE_SCC 0x0005/* scc driver */
#define TTY_DRIVER_TYPE_SYSCONS 0x0006
tty可以分为如下几层
- 核心层（tty core）: 是tty设备的抽象
- 线路规程（tty line discipline）: 是对上层和底层之间数据传输的协议转换, 不同类型的终端设备数据转换协议不同
- 驱动层（tty driver）: 面向底层硬件的设备驱动
tty代码位于drivers/tty目录下
tty软件框架如图所示:
2. TTY初始化
在系统启动过程中, 注册了/dev/tty和/dev/console设备
chr_dev_init() tty_init() /* 注册/dev/tty设备 */ cdev_init(&tty_cdev, &tty_fops); cdev_add(&tty_cdev, MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 0), 1) register_chrdev_region(MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 0), 1, "/dev/tty") device_create(tty_class, NULL, MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 0), NULL, "tty") /* 注册/dev/console设备 */ cdev_init(&console_cdev, &console_fops); cdev_add(&console_cdev, MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 1), 1) register_chrdev_region(MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 1), 1, "/dev/console") consdev = device_create_with_groups(tty_class, NULL, MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 1), NULL, cons_dev_groups, "console"); start_kernel() console_init() /* 注册N_TTY线路规程 */ n_tty_init() tty_register_ldisc(N_TTY, &n_tty_ops);
其中, 值得一说的是tty_fops, 定义了tty设备文件操作集
static const struct file_operations tty_fops = { .llseek = no_llseek, .read = tty_read, .write = tty_write, .poll = tty_poll, .unlocked_ioctl = tty_ioctl, .compat_ioctl = tty_compat_ioctl, .open = tty_open, .release = tty_release, .fasync = tty_fasync, };
3. TTY接口
驱动相关API主要如下:
/* 分配tty驱动数据结构 */ struct tty_driver *alloc_tty_driver(unsigned int lines); struct tty_driver *tty_alloc_driver(unsigned int lines, unsigned long flags) /* 注册/释放tty驱动 */ int tty_register_driver(struct tty_driver *driver); int tty_unregister_driver(struct tty_driver *driver); /* 释放tty驱动 */ void put_tty_driver(struct tty_driver *d); /* tty端口销毁 */ void tty_port_destroy(struct tty_port *port); /* 设置tty文件操作集 */ void tty_set_operations(struct tty_driver *driver, const struct tty_operations *op);
alloc_tty_driver/tty_alloc_driver完成了如下事宜
1. 分配tty_driver数据结构
2. 初始化tty_driver的magic、num、owner、flags成员
3. 如果flags不包含TTY_DRIVER_DEVPTS_MEM, 分配num个tty_struct和ktermios指针变量（！！！注意只是分配了指针！！！）
4. 如果flags不包含TTY_DRIVER_DYNAMIC_ALLOC, 分配num个tty_port指针变量（！！！注意只是分配了指针！！！）
5. 分配cdev数据结构
tty_register_driver完成了如下事宜
1. 如果指定了主设备号, 通过register_chrdev_region静态申请设备号; 否则通过alloc_chrdev_region动态分配设备号
2. 如果flags包含TTY_DRIVER_DYNAMIC_ALLOC, 调用tty_cdev_add分配并注册字符设备对象
2.1 tty_cdev_add通过cdev_alloc动态分配字符设备对象并赋值给tty_driver的cdevs, 并将tty_fops赋值给cdev的ops, 最后通过cdev_add注册字符设备对象
3. 通过list_add将tty_driver变量添加到tty_drivers链表
4. 如果flags不包含TTY_DRIVER_DYNAMIC_DEV, 通过tty_register_device注册num个tty设备
5. 调用proc_tty_register_driver注册/proc/tty/driver/*
设备相关API主要如下:
/* tty设备注册 */ struct device *tty_register_device(struct tty_driver *driver, unsigned index, struct device *dev); struct device *tty_port_register_device(struct tty_port *port, struct tty_driver *driver, unsigned index, struct device *device); struct device *tty_port_register_device_attr(struct tty_port *port, struct tty_driver *driver, unsigned index, struct device *device, void *drvdata, const struct attribute_group **attr_grp); /* tty设备注销 */ void tty_unregister_device(struct tty_driver *driver, unsigned index);
tty_port_register_device完成了如下事宜
1. 调用tty_port_link_device将tty_port赋值到tty_driver的ports变量
2. 调用tty_register_device_attr注册tty设备
2.1 根据tty_driver的type调用pty_line_name或者tty_line_name生成tty名称
2.2 如果tty_driver的flags包含TTY_DRIVER_DYNAMIC_ALLOC, 调用tty_cdev_add分配并注册字符设备对象
2.2.1 tty_cdev_add通过cdev_alloc动态分配字符设备对象并赋值给tty_driver的cdevs, 并将tty_fops赋值给cdev的ops, 最后通过cdev_add注册字符设备对象
2.3 分配device数据结构, 并赋值devt、class、parent、release、groups成员; 通过dev_set_name设置device设备名称; 通过dev_set_drvdata设置device的成员变量driver_data, 对于uart驱动来说为tty_port变量
2.4 通过device_register向系统注册设备
4. TTY数据结构
tty核心层包含如下几个重要数据结构
tty_struct是tty设备的"动态抽象", 和文件句柄的功能类似, 还保存了tty设备生命周期中的临时信息, 其生命周期为从打开tty设备开始, 到关闭tty设备结束; 主要供核心层使用
struct tty_struct { int magic; struct kref kref; struct device *dev; /* 指向tty设备 */ struct tty_driver *driver; /* 指向tty驱动 */ const struct tty_operations *ops; /* 指向tty_driver::tty_operations */ int index; /* 指向tty设备的编号（如tty0、tty1中的0、1） */ struct ld_semaphore ldisc_sem; struct tty_ldisc *ldisc; /* 该tty对应的线路规程 */ struct mutex atomic_write_lock; struct mutex legacy_mutex; struct mutex throttle_mutex; struct rw_semaphore termios_rwsem; struct mutex winsize_mutex; spinlock_t ctrl_lock; spinlock_t flow_lock; /* Termios values are protected by the termios rwsem */ struct ktermios termios, termios_locked; struct termiox *termiox; /* May be NULL for unsupported */ char name[64]; struct pid *pgrp; /* Protected by ctrl lock */ struct pid *session; unsigned long flags; int count; struct winsize winsize; /* winsize_mutex */ unsigned long stopped:1, /* flow_lock */ flow_stopped:1, unused:BITS_PER_LONG - 2; int hw_stopped; unsigned long ctrl_status:8, /* ctrl_lock */ packet:1, unused_ctrl:BITS_PER_LONG - 9; unsigned int receive_room; /* Bytes free for queue */ int flow_change; struct tty_struct *link; struct fasync_struct *fasync; int alt_speed; /* For magic substitution of 38400 bps */ wait_queue_head_t write_wait; wait_queue_head_t read_wait; struct work_struct hangup_work; void *disc_data; /* 指向n_tty_data, 用于保存线路规程缓冲区信息 */ void *driver_data; /* 保存tty驱动数据, 对于uart为uart_state*/ spinlock_t files_lock; /* protects tty_files list */ struct list_head tty_files; int closing; unsigned char *write_buf; int write_cnt; /* If the tty has a pending do_SAK, queue it here - akpm */ struct work_struct SAK_work; struct tty_port *port; /* 指向tty端口 */ };
tty_driver是tty设备的主要数据结构
struct tty_driver { int magic; /* magic number for this structure */ struct kref kref; /* Reference management */ struct cdev **cdevs; struct module *owner; const char *driver_name; /* 该tty驱动的名称, 在tty内部使用 */ const char *name; /* 该tty驱动的设备名称, 体现到sysfs以及/dev/等文件系统下 */ int name_base; /* offset of printed name */ int major; /* 主设备号, 如TTY_MAJOR */ int minor_start; /* 起始次设备号, 通常从64开始, why? */ unsigned int num; /* tty驱动对应设备数 */ short type; /* tty驱动类型, 如SERIAL、PTY等 */ short subtype; /* tty驱动子类型*/ struct ktermios init_termios; /* 初始termios, 如tty_std_termios */ unsigned long flags; /* tty驱动flags */ struct proc_dir_entry *proc_entry; /* /proc文件系统入口 */ struct tty_driver *other; /* 只用于PTY驱动 */ /* * 指向tty相关数据结构 */ struct tty_struct **ttys; struct tty_port **ports; struct ktermios **termios; void *driver_state; /* tty驱动私有数据 */ const struct tty_operations *ops; /* tty文件操作集 */ struct list_head tty_drivers; };
tty_port是tty设备固有属性的"静态抽象", 保存了该tty设备的一些固定的属性, 供具体的tty驱动使用
struct tty_port { struct tty_bufhead buf; /* Locked internally */ struct tty_struct *tty; /* Back pointer */ struct tty_struct *itty; /* internal back ptr */ const struct tty_port_operations *ops; /* Port operations */ spinlock_t lock; /* Lock protecting tty field */ int blocked_open; /* Waiting to open */ int count; /* Usage count */ wait_queue_head_t open_wait; /* Open waiters */ wait_queue_head_t delta_msr_wait; /* Modem status change */ unsigned long flags; /* User TTY flags ASYNC_ */ unsigned long iflags; /* Internal flags TTY_PORT_ */ unsigned char console:1, /* port is a console */ low_latency:1; /* optional: tune for latency */ struct mutex mutex; /* Locking */ struct mutex buf_mutex; /* Buffer alloc lock */ unsigned char *xmit_buf; /* Optional buffer */ unsigned int close_delay; /* Close port delay */ unsigned int closing_wait; /* Delay for output */ int drain_delay; /* Set to zero if no pure time based drain is needed else set to size of fifo */ struct kref kref; /* Ref counter */ };
termios, 定义了POSIX终端接口操作对象; 在用户空间为struct termios, 内核空间为struct ktermios
struct ktermios { tcflag_t c_iflag; /* input mode flags */ tcflag_t c_oflag; /* output mode flags */ tcflag_t c_cflag; /* control mode flags */ tcflag_t c_lflag; /* local mode flags */ cc_t c_line; /* line discipline */ cc_t c_cc[NCCS]; /* control characters */ speed_t c_ispeed; /* tty设备输入速率 */ speed_t c_ospeed; /* tty设备输出速率 */ };
tty_operations定义了硬件有关的操作, 由tty驱动实现, 被tty核心层调用
struct tty_operations { struct tty_struct *(*lookup)(struct tty_driver *, struct file *, int); int (*install)(struct tty_driver *, struct tty_struct *); void (*remove)(struct tty_driver *, struct tty_struct *); int (*open)(struct tty_struct *, struct file *); /*打开*/ void (*close)(struct tty_struct *, struct file *); /* 关闭 */ void (*shutdown)(struct tty_struct *); void (*cleanup)(struct tty_struct *); int (*write)(struct tty_struct *, const unsigned char *, int); /* 写入缓冲区并刷新到硬件 */ int (*put_char)(struct tty_struct *, unsigned char); /* 单字节写入缓冲区 */ void (*flush_chars)(struct tty_struct *); /* 刷新写缓冲区到硬件 */ int (*write_room)(struct tty_struct *); /* 写缓冲区空闲大小 */ int (*chars_in_buffer)(struct tty_struct *); /* 写缓冲区数据大小 */ int (*ioctl)(struct tty_struct *, unsigned int, unsigned long); long (*compat_ioctl)(struct tty_struct *, unsigned int, unsigned long); void (*set_termios)(struct tty_struct *, struct ktermios *); /* termios设置函数 */ void (*throttle)(struct tty_struct *); /* 流控,当读缓冲区满时被调用,告知tty驱动不再接收数据 */ void (*unthrottle)(struct tty_struct *);/* 流控,当读缓冲区空时被调用,告知tty驱动可以接收数据 */ void (*stop)(struct tty_struct *); /* 流控,告知tty驱动开始发送数据 */ void (*start)(struct tty_struct *); /* 流控,告知tty驱动停止发送数据 */ void (*hangup)(struct tty_struct *); /* 挂起tty设备 */ int (*break_ctl)(struct tty_struct *, int state); /* 线路规程BREAK控制函数 */ void (*flush_buffer)(struct tty_struct *); /* 清空写缓冲区并丢弃数据 */ void (*set_ldisc)(struct tty_struct *); /* 线路规程设置函数 */ void (*wait_until_sent)(struct tty_struct *, int); /* 同flush_chars*/ void (*send_xchar)(struct tty_struct *, char); /* 高优先级字符XON/XOFF发送函数 */ int (*tiocmget)(struct tty_struct *); /* 获取当前tty设备线路规程设置 */ int (*tiocmset)(struct tty_struct *, unsigned int set, unsigned int clear); int (*resize)(struct tty_struct *, struct winsize *ws); int (*set_termiox)(struct tty_struct *, struct termiox *tnew); int (*get_icount)(struct tty_struct *, struct serial_icounter_struct *icount); #ifdef CONFIG_CONSOLE_POLL int (*poll_init)(struct tty_driver *, int line, char *options); int (*poll_get_char)(struct tty_driver *, int line); void (*poll_put_char)(struct tty_driver *, int line, char ch); #endif const struct file_operations *proc_fops; /* /proc文件系统操作集 */ };
tty_port_operations是tty端口相关操作, 主要是在打开和关闭tty设备（端口）时使用
struct tty_port_operations { int (*carrier_raised)(struct tty_port *); /* 端口载体检测 */ void (*dtr_rts)(struct tty_port *port, int raise); /* 控制DTR/RTS*/ void (*shutdown)(struct tty_port *); /* 端口关闭 */ int (*activate)(struct tty_port *, struct tty_struct *); /* 端口激活 */ void (*destruct)(struct tty_port *); /* 端口释放 */ };
5. TTY驱动编写
tty驱动的编写主要步骤如下:
1. 实现tty设备有关的文件操作集（tty_operations）
2. 调用tty_alloc_driver分配一个tty驱动, 并设置driver中相关字段（包括tty_operations变量）
3. 调用tty_register_driver注册tty驱动
4. 如果需要动态注册tty设备, 则需调用tty_register_device或者tty_register_device_attr注册tty设备
5. 接收到数据时, 调用tty_insert_flip_string或者tty_insert_flip_char将数据交给TTY core; TTY core需要发送数据时, 会调用driver提供的回调函数, 在那里面访问硬件送出数据即可
