tty这个名称源于电传打字节的简称,在linux表示各种终端,终端通常都跟硬件相对应。比如对应于输入设备键盘鼠标,输出设备显示器的控制终端和串口终端。也有对应于不存在设备的pty驱动。在如此众多的终端模型之中,linux是怎么将它们统一建模的呢?这就是我们今天要讨论的问题。
tty架构如下所示:
如上图所示,用户空间主要是通过系统调用与tty core
交互。tty core
根据用空间操作的类型再选择跟line discipline
和tty driver
交互。
例如,设置硬件的ioctl指令就直接交给tty_driver
处理。read和write操作就会交给 line discipline
处理。
Line discipline
是线路规程的意思。正如它的名字一样,它表示的是这条终端”线程”的输入与输出规范设置。主要用来进行输入/输出数据的预处理。
处理之后,就会将数据交给tty driver
,它将字符转换成终端可以理解的字串。将其传给终端设备。
值得注意的是,这个架构没有为tty driver
提供read操作。也就是说tty core
和line discipline
都没有办法从tty driver
里直接读终端信息。这是因为tty driver
对应的hardware并不一定是输入数据和输出 数据的共同负载者。
例如控制终端,输出设备是显示器,输入设备是键盘。基于这样的原理。在line discipline
中有一个输入缓存区,并提供了一个名叫receive_buf()
的接口函数。对应的终端设备只要调用line discipine
的receiver_buf
函数,将数据写入到输入缓存区就可以了。如果一个设备同时是输入设备又是输出设备。那在设备的中断处理中调用receive_buf()
将数据写入即可.
/*
* Ok, now we can initialize the rest of the tty devices and can count
* on memory allocations, interrupts etc..
*/
int __init tty_init(void)
{
tty_sysctl_init();
cdev_init(&tty_cdev, &tty_fops);
if (cdev_add(&tty_cdev, MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 0), 1) ||
register_chrdev_region(MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 0), 1, "/dev/tty") < 0)
panic("Couldn't register /dev/tty driver\n");
device_create(tty_class, NULL, MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 0), NULL, "tty");
cdev_init(&console_cdev, &console_fops);
if (cdev_add(&console_cdev, MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 1), 1) ||
register_chrdev_region(MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 1), 1, "/dev/console") < 0)
panic("Couldn't register /dev/console driver\n");
consdev = device_create_with_groups(tty_class, NULL,
MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 1), NULL,
cons_dev_groups, "console");
if (IS_ERR(consdev))
consdev = NULL;
#ifdef CONFIG_VT
vty_init(&console_fops);
#endif
return 0;
}
tty_init主要做了以下工作:
tty_fops
绑定。同时,创建一个名为 "tty" 的 tty 设备节点,并将其设备号设置为 MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 0)
。MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 1)
。该控制台设备节点还将在 sysfs 中创建一个名为 "console" 的目录,并在该目录下创建多个属性文件,用于控制控制台的一些属性。这里我们看到了熟悉的
cdev_init()
,device_create()
之类的函数,这正是字符设备的创建流程。因此,我们说串口驱动也是一个字符设备驱动。 而在serial8250_init()
中,会调用platform_driver_register()
去注册serial8250_isa_driver
,在设备树节点和serial8250_isa_driver
name匹配的时候,就会进入probe流程。因此,也可以说串口驱动是总线设备驱动模型。
/* Use TTY_DRIVER_* flags below */
#define tty_alloc_driver(lines, flags) \
__tty_alloc_driver(lines, THIS_MODULE, flags)
__tty_alloc_driver()
用于分配一个 tty 驱动程序的数据结构 struct tty_driver
,并对其一些常用字段进行初始化。
/**
* __tty_alloc_driver -- allocate tty driver
* @lines: count of lines this driver can handle at most
* @owner: module which is repsonsible for this driver
* @flags: some of TTY_DRIVER_* flags, will be set in driver->flags
*
* This should not be called directly, some of the provided macros should be
* used instead. Use IS_ERR and friends on @retval.
*/
struct tty_driver *__tty_alloc_driver(unsigned int lines, struct module *owner,
unsigned long flags)
{
struct tty_driver *driver;
unsigned int cdevs = 1;
int err;
if (!lines || (flags & TTY_DRIVER_UNNUMBERED_NODE && lines > 1))
return ERR_PTR(-EINVAL);
/*分配一个 struct tty_driver 结构体,并对其中的一些字段进行初始化,包括 num、owner、flags 等*/
driver = kzalloc(sizeof(struct tty_driver), GFP_KERNEL);
if (!driver)
return ERR_PTR(-ENOMEM);
kref_init(&driver->kref);
driver->magic = TTY_DRIVER_MAGIC;
driver->num = lines;
driver->owner = owner;
driver->flags = flags;
/*如果 TTY_DRIVER_DEVPTS_MEM 标志位没有被设置,那么函数会分配 driver->ttys 和 driver->termios,否则不需要分配*/
if (!(flags & TTY_DRIVER_DEVPTS_MEM)) {
driver->ttys = kcalloc(lines, sizeof(*driver->ttys),
GFP_KERNEL);
driver->termios = kcalloc(lines, sizeof(*driver->termios),
GFP_KERNEL);
if (!driver->ttys || !driver->termios) {
err = -ENOMEM;
goto err_free_all;
}
}
/*如果 TTY_DRIVER_DYNAMIC_ALLOC 标志位没有被设置,那么函数会分配 driver->ports,否则不需要分配*/
if (!(flags & TTY_DRIVER_DYNAMIC_ALLOC)) {
driver->ports = kcalloc(lines, sizeof(*driver->ports),
GFP_KERNEL);
if (!driver->ports) {
err = -ENOMEM;
goto err_free_all;
}
cdevs = lines;
}
/*函数会根据 lines 的值分配相应数量的 driver->cdevs*/
driver->cdevs = kcalloc(cdevs, sizeof(*driver->cdevs), GFP_KERNEL);
if (!driver->cdevs) {
err = -ENOMEM;
goto err_free_all;
}
return driver;
err_free_all:
kfree(driver->ports);
kfree(driver->ttys);
kfree(driver->termios);
kfree(driver->cdevs);
kfree(driver);
return ERR_PTR(err);
}
tty_register_driver
用于注册 tty 驱动程序的,被 tty 驱动程序调用以将自己注册到内核中。
/*
* Called by a tty driver to register itself.
*/
int tty_register_driver(struct tty_driver *driver)
{
int error;
int i;
dev_t dev;
struct device *d;
/*确认是否要内核动态分配主设备号*/
if (!driver->major) {
/*函数调用 alloc_chrdev_region 函数来动态分配主设备号,并将分配的主设备号和次设备号保存在 driver->major 和 driver->minor_start 字段中*/
error = alloc_chrdev_region(&dev, driver->minor_start,
driver->num, driver->name);
if (!error) {
driver->major = MAJOR(dev);
driver->minor_start = MINOR(dev);
}
} else {
/*已经预先分配了主设备号,函数调用 register_chrdev_region 函数来注册设备号*/
dev = MKDEV(driver->major, driver->minor_start);
error = register_chrdev_region(dev, driver->num, driver->name);
}
if (error < 0)
goto err;
/*判断是否设置了 TTY_DRIVER_DYNAMIC_ALLOC 标志位*/
if (driver->flags & TTY_DRIVER_DYNAMIC_ALLOC) {
/*需要动态分配 tty 设备号,函数调用 tty_cdev_add 函数来添加 tty 设备号,并将每个 tty 设备的字符设备注册到内核中*/
error = tty_cdev_add(driver, dev, 0, driver->num);
if (error)
goto err_unreg_char;
}
mutex_lock(&tty_mutex);
/*将 driver 添加到链表 tty_drivers 中*/
list_add(&driver->tty_drivers, &tty_drivers);
mutex_unlock(&tty_mutex);
/*判断 TTY_DRIVER_DYNAMIC_DEV 标志位是否设置*/
if (!(driver->flags & TTY_DRIVER_DYNAMIC_DEV)) {
for (i = 0; i < driver->num; i++) {
/*需要注册固定的 tty 设备号,函数在循环中调用 tty_register_device 函数来注册每个 tty 设备号,并将每个 tty 设备注册到内核中*/
d = tty_register_device(driver, i, NULL);
if (IS_ERR(d)) {
error = PTR_ERR(d);
goto err_unreg_devs;
}
}
}
/*注册 /proc/tty/drivers 目录中的信息*/
proc_tty_register_driver(driver);
/*将 driver 结构体中的 flags 字段设置为 TTY_DRIVER_INSTALLED,表示该驱动程序已经被成功注册到内核中*/
driver->flags |= TTY_DRIVER_INSTALLED;
return 0;
err_unreg_devs:
for (i--; i >= 0; i--)
tty_unregister_device(driver, i);
mutex_lock(&tty_mutex);
list_del(&driver->tty_drivers);
mutex_unlock(&tty_mutex);
err_unreg_char:
unregister_chrdev_region(dev, driver->num);
err:
return error;
}
tty_register_driver()
函数操作比较简单。就是为tty_driver创建字符设备。然后将字符设备的操作集指定为tty_fops
。并且将tty_driver
挂载到tty_drivers
链表中。这个链表中是以设备号为关键字找到对应的driver。
特别的。如果没有定义TTY_DRIVER_DYNAMIC_DEV
。还会在sysfs中创建一个类设备。这样主要是为了udev管理设备。
tty_unregister_device
用于注销一个 tty 设备。该函数的作用是销毁设备节点和字符设备,以便于释放与该 tty 设备相关的资源,例如内存和设备文件等.
/**
* tty_unregister_device - unregister a tty device
* @driver: the tty driver that describes the tty device
* @index: the index in the tty driver for this tty device
*
* If a tty device is registered with a call to tty_register_device() then
* this function must be called when the tty device is gone.
*
* Locking: ??
*/
void tty_unregister_device(struct tty_driver *driver, unsigned index)
{
device_destroy(tty_class,
MKDEV(driver->major, driver->minor_start) + index);
if (!(driver->flags & TTY_DRIVER_DYNAMIC_ALLOC)) {
cdev_del(driver->cdevs[index]);
driver->cdevs[index] = NULL;
}
}
tty_unregister_device
所做工作如下:
device_destroy
函数来销毁 tty 设备对应的设备节点。接受两个参数:第一个参数 tty_class
表示 tty 类,第二个参数是 tty 设备的设备号,其中 MKDEV(driver->major, driver->minor_start) + index
表示 tty 设备的设备号,driver->major
表示 tty 设备的主设备号,driver->minor_start
表示 tty 设备的次设备号的起始值,index
表示 tty 设备的索引cdev_del
函数来注销该 tty 设备对应的字符设备。get_tty_driver
作用是在用户空间的应用程序使用 tty 设备时,获取对应的 tty 驱动程序的信息。
/**
* get_tty_driver - find device of a tty
* @dev_t: device identifier
* @index: returns the index of the tty
*
* This routine returns a tty driver structure, given a device number
* and also passes back the index number.
*
* Locking: caller must hold tty_mutex
*/
static struct tty_driver *get_tty_driver(dev_t device, int *index)
{
struct tty_driver *p;
/**/
list_for_each_entry(p, &tty_drivers, tty_drivers) {
dev_t base = MKDEV(p->major, p->minor_start);
if (device < base || device >= base + p->num)
continue;
*index = device - base;
return tty_driver_kref_get(p);
}
return NULL;
}
首先使用 list_for_each_entry
循环遍历全局链表 tty_drivers
,该链表中保存了所有已经注册的 tty 驱动程序。对于每个 tty 驱动程序,函数将其设备号的起始值和结束值计算出来,如果给定设备号不在这个范围内,则继续遍历下一个 tty 驱动程序。
如果给定设备号在某个 tty 驱动程序的范围内,则计算出该设备号对应的 tty 设备的索引值,并调用 tty_driver_kref_get
函数来获取该 tty 驱动程序的引用计数。函数返回该 tty 驱动程序的结构体指针,并将找到的 tty 设备的索引值保存到 index
参数中。
需要注意的是,函数在访问全局链表 tty_drivers
时,需要持有互斥锁 tty_mutex
。因为多个应用程序可能同时访问同一个 tty 驱动程序,如果没有互斥锁保护,可能会导致并发问题。
从注册的过程可以看到,所有的操作都会对应到tty_fops
中。Open操作对应的操作接口是tty_open()
,用于打开一个 tty 设备。函数的作用是在用户空间的应用程序使用 tty 设备时,打开对应的 tty 设备,并初始化相应的数据结构。
/**
* tty_open - open a tty device
* @inode: inode of device file
* @filp: file pointer to tty
*
* tty_open and tty_release keep up the tty count that contains the
* number of opens done on a tty. We cannot use the inode-count, as
* different inodes might point to the same tty.
*
* Open-counting is needed for pty masters, as well as for keeping
* track of serial lines: DTR is dropped when the last close happens.
* (This is not done solely through tty->count, now. - Ted 1/27/92)
*
* The termios state of a pty is reset on first open so that
* settings don't persist across reuse.
*
* Locking: tty_mutex protects tty, tty_lookup_driver and tty_init_dev.
* tty->count should protect the rest.
* ->siglock protects ->signal/->sighand
*
* Note: the tty_unlock/lock cases without a ref are only safe due to
* tty_mutex
*/
static int tty_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct tty_struct *tty;
int noctty, retval;
struct tty_driver *driver = NULL;
int index;
dev_t device = inode->i_rdev;
unsigned saved_flags = filp->f_flags;
nonseekable_open(inode, filp);
retry_open:
/*分配一个 tty 结构体*/
retval = tty_alloc_file(filp);
if (retval)
return -ENOMEM;
/*检查文件的标志位,如果包含 O_NOCTTY 标志,则禁止将该 tty 设备设置为控制终端*/
noctty = filp->f_flags & O_NOCTTY;
index = -1;
retval = 0;
/*尝试打开当前的 tty 设备*/
tty = tty_open_current_tty(device, filp);
if (!tty) {
mutex_lock(&tty_mutex);
/*根据设备号来查找对应的 tty 驱动程序,并初始化该 tty 设备,将找到的 tty 驱动程序保存到 driver 变量中*/
driver = tty_lookup_driver(device, filp, &noctty, &index);
if (IS_ERR(driver)) {
retval = PTR_ERR(driver);
goto err_unlock;
}
/* check whether we're reopening an existing tty */
/*查找对应的 tty 设备,并将找到的 tty 设备结构体指针保存到 tty 变量中*/
tty = tty_driver_lookup_tty(driver, inode, index);
if (IS_ERR(tty)) {
retval = PTR_ERR(tty);
goto err_unlock;
}
if (tty) {
/*如果找到了该 tty 设备,则需要重新打开该 tty 设备*/
mutex_unlock(&tty_mutex);
retval = tty_lock_interruptible(tty);
tty_kref_put(tty); /* drop kref from tty_driver_lookup_tty() */
if (retval) {
if (retval == -EINTR)
retval = -ERESTARTSYS;
goto err_unref;
}
retval = tty_reopen(tty);
if (retval < 0) {
tty_unlock(tty);
tty = ERR_PTR(retval);
}
} else { /* Returns with the tty_lock held for now */
/*需要初始化该 tty 设备*/
tty = tty_init_dev(driver, index);
/*为该 tty 设备分配一个 tty 结构体,并对其进行初始化*/
mutex_unlock(&tty_mutex);
}
tty_driver_kref_put(driver);
}
if (IS_ERR(tty)) {
retval = PTR_ERR(tty);
if (retval != -EAGAIN || signal_pending(current))
goto err_file;
tty_free_file(filp);
schedule();
goto retry_open;
}
/*将该 tty 设备与文件结构体相关联*/
tty_add_file(tty, filp);
check_tty_count(tty, __func__);
/*如果该 tty 设备是一个伪终端主设备,则需要将 noctty 标志设置为 1*/
if (tty->driver->type == TTY_DRIVER_TYPE_PTY &&
tty->driver->subtype == PTY_TYPE_MASTER)
noctty = 1;
tty_debug_hangup(tty, "(tty count=%d)\n", tty->count);
/*调用 tty 设备的 open 函数*/
if (tty->ops->open)
retval = tty->ops->open(tty, filp);
else
retval = -ENODEV;
filp->f_flags = saved_flags;
if (retval) {
tty_debug_hangup(tty, "error %d, releasing...\n", retval);
tty_unlock(tty); /* need to call tty_release without BTM */
tty_release(inode, filp);
if (retval != -ERESTARTSYS)
return retval;
if (signal_pending(current))
return retval;
schedule();
/*
* Need to reset f_op in case a hangup happened.
*/
if (tty_hung_up_p(filp))
filp->f_op = &tty_fops;
goto retry_open;
}
clear_bit(TTY_HUPPED, &tty->flags);
read_lock(&tasklist_lock);
spin_lock_irq(¤t->sighand->siglock);
if (!noctty &&
current->signal->leader &&
!current->signal->tty &&
tty->session == NULL) {
/*
* Don't let a process that only has write access to the tty
* obtain the privileges associated with having a tty as
* controlling terminal (being able to reopen it with full
* access through /dev/tty, being able to perform pushback).
* Many distributions set the group of all ttys to "tty" and
* grant write-only access to all terminals for setgid tty
* binaries, which should not imply full privileges on all ttys.
*
* This could theoretically break old code that performs open()
* on a write-only file descriptor. In that case, it might be
* necessary to also permit this if
* inode_permission(inode, MAY_READ) == 0.
*/
if (filp->f_mode & FMODE_READ)
__proc_set_tty(tty);
}
spin_unlock_irq(¤t->sighand->siglock);
read_unlock(&tasklist_lock);
tty_unlock(tty);
return 0;
err_unlock:
mutex_unlock(&tty_mutex);
err_unref:
/* after locks to avoid deadlock */
if (!IS_ERR_OR_NULL(driver))
tty_driver_kref_put(driver);
err_file:
tty_free_file(filp);
return retval;
}
函数所作工作如下:
O_NOCTTY
标志,则禁止将该 tty 设备设置为控制终端。这是因为如果一个进程打开一个 tty 设备并将其设置为控制终端,其他进程就无法再将该 tty 设备设置为控制终端,这可能会导致一些问题。tty_lookup_driver
函数来查找对应的 tty 驱动程序,并将找到的 tty 驱动程序保存到 driver
变量中。如果找不到对应的 tty 驱动程序,则返回错误码。tty_driver_lookup_tty
函数来查找对应的 tty 设备,并将找到的 tty 设备结构体指针保存到 tty
变量中。如果找到了该 tty 设备,则需要重新打开该 tty 设备。否则,需要初始化该 tty 设备。在初始化 tty 设备时,需要调用 tty_init_dev
函数来为该 tty 设备分配一个 tty 结构体,并对其进行初始化。tty_add_file
函数将该 tty 设备与文件结构体相关联。此外,如果该 tty 设备是一个伪终端主设备,则需要将 noctty
标志设置为 1。open
函数,如果存在的话,来进行一些特定的操作。如果 open
函数返回错误码,则需要释放该 tty 设备并返回错误码。如果 open
函数返回 -ERESTARTSYS
,则需要重新打开该 tty 设备。如果有中断发生,也需要重新打开该 tty 设备。tty_write()
作用是将用户数据写入 tty 设备,并通过线路规则(line discipline)进行处理。
线路规则是 tty 设备的一种机制,用于处理和转换从用户进程到内核和设备的数据流。在写入 tty 设备之前,需要获取该 tty 设备的线路规则,并调用其 write
方法进行处理。
/**
* tty_write - write method for tty device file
* @file: tty file pointer
* @buf: user data to write
* @count: bytes to write
* @ppos: unused
*
* Write data to a tty device via the line discipline.
*
* Locking:
* Locks the line discipline as required
* Writes to the tty driver are serialized by the atomic_write_lock
* and are then processed in chunks to the device. The line discipline
* write method will not be invoked in parallel for each device.
*/
static ssize_t tty_write(struct file *file, const char __user *buf,
size_t count, loff_t *ppos)
{
struct tty_struct *tty = file_tty(file);
struct tty_ldisc *ld;
ssize_t ret;
if (tty_paranoia_check(tty, file_inode(file), "tty_write"))
return -EIO;
if (!tty || !tty->ops->write ||
(test_bit(TTY_IO_ERROR, &tty->flags)))
return -EIO;
/* Short term debug to catch buggy drivers */
if (tty->ops->write_room == NULL)
printk(KERN_ERR "tty driver %s lacks a write_room method.\n",
tty->driver->name);
ld = tty_ldisc_ref_wait(tty);
if (!ld->ops->write)
ret = -EIO;
else
ret = do_tty_write(ld->ops->write, tty, file, buf, count);
tty_ldisc_deref(ld);
return ret;
}
tty_write()
所作工作如下:
tty_struct
数据结构的指针,表示要写入的 tty 设备。tty_struct
指针是否有效,以及是否有其他进程正在访问该 tty 设备。如果出现问题,返回输入/输出错误码 -EIO
。tty_struct
指针是否有效、tty 设备是否支持写操作,以及是否已经出现了输入/输出错误。如果出现问题,返回输入/输出错误码 -EIO
。write_room
方法,如果没有,则输出错误信息。write
方法是否存在,如果不存在,返回输入/输出错误码 -EIO
。否则,调用 do_tty_write
函数,将数据写入 tty 设备。/**
* tty_read - read method for tty device files
* @file: pointer to tty file
* @buf: user buffer
* @count: size of user buffer
* @ppos: unused
*
* Perform the read system call function on this terminal device. Checks
* for hung up devices before calling the line discipline method.
*
* Locking:
* Locks the line discipline internally while needed. Multiple
* read calls may be outstanding in parallel.
*/
static ssize_t tty_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count,
loff_t *ppos)
{
int i;
struct inode *inode = file_inode(file);
struct tty_struct *tty = file_tty(file);
struct tty_ldisc *ld;
if (tty_paranoia_check(tty, inode, "tty_read"))
return -EIO;
if (!tty || (test_bit(TTY_IO_ERROR, &tty->flags)))
return -EIO;
/* We want to wait for the line discipline to sort out in this
situation */
ld = tty_ldisc_ref_wait(tty);
if (ld->ops->read)
i = ld->ops->read(tty, file, buf, count);
else
i = -EIO;
tty_ldisc_deref(ld);
if (i > 0)
tty_update_time(&inode->i_atime);
return i;
}
tty_read()
实现终端设备文件读操作的函数 。
tty_struct
结构体、inode
和 line discipline
对象的指针。tty_paranoia_check()
函数检查 tty_struct
结构体是否可用。如果检查失败,返回 -EIO。tty_struct
结构体是否为空或者 TTY_IO_ERROR
标志位已经设置。如果是,则返回 -EIO。line discipline
对象的引用,确保它不会在 tty_read()
函数执行期间被卸载。line discipline
的 read()
方法是否可用。如果可用,则调用该方法进行读取操作,并将返回的字节数保存在变量 i 中。如果不可用,返回 -EIO。line discipline
的引用。tty_update_time()
函数更新 inode 的访问时间。在这一节里,只对tty的构造做一个分析,具体的比如线路规程的内容我们了解知道就好,这里不做深入分析。
https://blog.csdn.net/pan0755/article/details/51693178
https://blog.csdn.net/qq_43286311/article/details/117824804
https://www.jianshu.com/p/09e87a725ed4
https://blog.csdn.net/weixin_40407893/article/details/117956968
https://blog.csdn.net/pan0755/article/details/51693178
end
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