Linux驱动之tty子系统
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1. TTY 子系统概述
在 Linux 内核中，TTY (Teletype) 子系统是 用户空间与字符设备交互的桥梁，它最早用于模拟电传打字机（Teletype），但如今主要用于 终端、串口、伪终端（PTY）等字符设备的管理。
TTY 子系统负责：
- 字符设备驱动（如串口、虚拟终端等）的管理。
- 终端 I/O 控制（如 stty 命令）。
- 行规处理（输入缓冲、回显、信号处理等）。
- 用户进程与设备的连接（如 bash 终端使用
/dev/tty）。
2. TTY 子系统架构
Linux TTY 子系统由 四层 组成：
- 用户空间 (User Space)
shell,minicom,cat /dev/ttyS0,ioctl()
- TTY 核心层 (TTY Core Layer)
tty_operations,tty_ldisc,tty_driver- TTY 核心层包含线路规程
- 线路规程 (Line Discipline)
- N_TTY (标准终端), N_SLIP, N_PPP
- 低级驱动 (Low-level Drivers)
- 串口 (serial), 虚拟终端 (virtual tty), 伪终端 (pty)
（1）用户空间
用户进程可以通过 /dev/ttyX 访问 TTY 设备，常见的方式包括：
- 文件操作：
open("/dev/ttyS0")、read/write。 - IOCTL 控制：如
tcsetattr()设置波特率、设置线路规程等。 - 终端模拟器：如
minicom、screen、tmux。
（2）TTY 核心层
TTY 核心层提供 TTY 设备的抽象接口，包括：
struct tty_driver：描述 TTY 设备的驱动信息。struct tty_operations：TTY 设备操作函数，如open()、write()、read()。struct tty_port：管理 TTY 端口，包括缓冲区、引用计数。struct tty_ldisc：描述ldisc线路规程（一般不增删、tty核心层已经做好不同线路规程的结构体实体）
（3）线路规程（Line Discipline）
- TTY 设备的输入数据可以通过不同的 线路规程 进行处理，在 Linux 中，有多个常见的线路规程。最常用的有：
-
N_TTY（默认）（TTY_LINE_DISC_TERMINAL）：标准的文本终端处理规程。用于普通的字符终端设备，比如虚拟终端（tty、ttyS 等）。它负责处理普通的字符回显、行编辑、字符映射等。 -
N_PTY（TTY_LINE_DISC_PTY）：伪终端处理规程。用于创建伪终端设备（如 tty 或 pty），用于实现终端模拟（如终端仿真器）。N_PTY 允许一个进程模拟另一个进程的终端行为。 -
N_SERIAL（TTY_LINE_DISC_SERIAL）：用于串口通信的线路规程。该规程处理与串口设备（如 8250 串口）之间的通信，包括流控制、数据转换等。 -
N_UUCP：用于 UUCP（Unix-to-Unix Copy Protocol）通信的线路规程。它支持特定的通信协议，通常用于较早的拨号通信。 -
N_SG：用于高性能串口设备的线路规程。
- 一些常见的用于设置线路规划模式的 IOCTL 命令包括：
- TIOCSETD：设置 TTY 设备的线路规划。
- TIOCSERIAL：设置串口的相关属性（例如波特率、停止位等）。
- TCSETA、TCSETAW、TCSETAF 等：设置终端的
termios配置。
- 线路规程模式是在用户层指定
tcsetattr()->ioctl()-> 按照传递进来的CMD参数来创建不同的线路规程模式，并且添加到对应的tty_struct结构体中
（4）低级驱动
低级驱动负责具体设备的实现，包括：
- 串口驱动：
drivers/tty/serial/，如8250驱动。 - 虚拟终端：
drivers/tty/vt/，如tty0、tty1。 - 伪终端（PTY）：
drivers/tty/pty.c，用于ssh、tmux等。
3. TTY 关键数据结构
（1）TTY 驱动结构体 tty_driver
tty_driver的**ttys、**ports、**cdevs都是在tty_alloc_driver函数中分配得的内存空间（分别是申请指向*tty_struct、*port、*cdev的数组，但是具体的port、tty_struct、cdev并没有在这里分配）
定义在 include/linux/tty_driver.h：
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;
const char *name;
int name_base; /* offset of printed name */
int major; /* major device number */
int minor_start; /* start of minor device number */
unsigned int num; /* number of devices allocated */
short type; /* type of tty driver */
short subtype; /* subtype of tty driver */
struct ktermios init_termios; /* Initial termios */
unsigned long flags; /* tty driver flags */
struct proc_dir_entry *proc_entry; /* /proc fs entry */
struct tty_driver *other; /* only used for the PTY driver */
/*
* Pointer to the tty data structures
*/
struct tty_struct **ttys;
struct tty_port **ports;
struct ktermios **termios;
void *driver_state; // 这个地方就是tty驱动层抽象底下不同设备的驱动的指针变量
/*
* Driver methods
*/
const struct tty_operations *ops;
struct list_head tty_drivers;
}
- 作用：
- 注册 TTY 设备：使用
tty_register_driver()。 - 管理多个 TTY 端口：如
/dev/ttyS0,/dev/ttyS1。 - 存储具体设备的相关数据指针
void *driver_state;这个地方就是tty驱动层抽象底下不同设备的驱动的指针变量。- 比如在uart的驱动中就用
driver_state这成员变量指向&uart_driver用来存储uart串口的信息，便于tty_operation中的操作集访问。
- 一个
tty_driver会对应多个tty_port - 在设备打开后，几乎操作的都是tty_struct来获取所有与进程和tty_port相关信息
- uart具体设备的一些结构体
struct uart_driver
struct uart_driver {
struct module *owner;
const char *driver_name;
const char *dev_name;
int major;
int minor;
int nr; //串口数量
struct console *cons;
struct uart_state *state;
struct tty_driver *tty_driver;
};
struct uart_state
struct uart_state {
struct tty_port port;
enum uart_pm_state pm_state;
struct circ_buf xmit;
atomic_t refcount;
wait_queue_head_t remove_wait;
struct uart_port *uart_port;
};
struct uart_port
struct uart_port {
...
struct uart_state *state;
...
const struct uart_ops *ops;
...
unsigned int line; /* port index */
...
};
（2）TTY 设备操作 tty_operations
tty_operations是tty核心层暴露给具体设备操作集接口，注册申请tty设备需要实现tty_operations结构体中的函数集。
- 比如uart驱动中就实现了
tty_operations操作集 - 如果需要注册一个tty设备就得实现
tty_operations操作集
- 定义
定义在include/linux/tty_driver.h：
struct tty_operations {
int (*open)(struct tty_struct *tty, struct file *filp);
void (*close)(struct tty_struct *tty, struct file *filp);
int (*write)(struct tty_struct *tty, const unsigned char *buf, int count);
...
};
-
该
tty_operations操作集的具体用到的地方在本文第4节《tty框架的write/read流程》中的图片中有标注。 -
常见操作：
open()：打开 TTY 设备。close()：关闭 TTY 设备。write()：写入数据到 TTY 设备。
（3）TTY 端口 tty_port
-
TTY 端口管理，如缓冲区、状态：
-
tty_port 需要手动分配和初始化，并且
tty_port初始化后必须挂在到tty_driver的ports[i]中，或者挂在到tty_struct中的port字段，否则会引起crash the kernel，（在uart驱动中，已经将tty_port添加tty_struct中的port字段中了）， -
或者在需要操作
tty_port的地方能够正确找到创建的tty_port，比如在tty_operations的open中就需要tty_port_open()来传入tty_port* -
tty_port_install()中可以将tty_struct中的port字段和tty_port关联 -
重要的是
tty_struct中的port字段需要被填充struct port*，如下（在tty_init_dev()中）：
if (!tty->port)
tty->port = driver->ports[idx];
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 */
const struct tty_port_client_operations *client_ops; /* Port client 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 */
void *client_data;
};
（4）TTY 结构体 tty_struct
-
tty_struct是整个tty子系统管理的核心结构体，负责将进程、tty_driver、tty_port联系起来。 -
tty_struct由 TTY 核心在打开 TTY 设备时在
tty_init_dev中自动创建tty_struct，并添加到tty_driver的*ttys[tty->index]中。 -
tty_port->tty并不会存储所有tty_struct，它只是一个指针，指向最近一次成功打开的tty_struct。
4. tty框架的write/read流程
上面的write/read是在linux源码一步一步跳转查看的。具体流程应该差不多。
5. 简单虚拟tty设备框架
- 这里的
tty_port是直接创建初始化，并挂在在tty_driver->ports[i]中，并没有在其他install(tty_operations)的接口上把tty_port挂载到tty->port上。 - 也可以实现install接口来实现把
tty_port挂载到tty->port上。
- 代码说明：
- 这里代码会生成
/dev/ttyPCIE0和/dev/ttyPCIE1设备。 - 向其中一个设备写入数据会写入到另一个设备中，可以从另一个设备读取。
- 可以用minicom工具打开测试
sudo minicom -D /dev/ttyPCIE0sudo minicom -D /dev/ttyPCIE1
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/tty_driver.h>
#include <linux/tty_flip.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/vmalloc.h>
#include <linux/serial.h>
#include <linux/serial_core.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/mutex.h>
#define TTY_MAJOR_AUTO 0
#define VIRTUAL_TTY_MINORS 2
#define DRIVER_NAME "gps_pcie_tty"
static struct tty_driver *gps_pcie_tty_driver;
static struct tty_port *gps_pcie_tty_ports[VIRTUAL_TTY_MINORS] = {NULL, NULL};
static const struct tty_port_operations gps_pcie_tty_port_ops = {};
static int gps_pcie_tty_open(struct tty_struct *tty, struct file *filp)
{
int port_num = tty->index;
if (port_num >= VIRTUAL_TTY_MINORS)
return -ENODEV;
// 设置 tty->port
tty->port = gps_pcie_tty_ports[port_num];
// 打开端口
return tty_port_open(tty->port, tty, filp);
}
static void gps_pcie_tty_close(struct tty_struct *tty, struct file *filp)
{
tty_port_close(tty->port, tty, filp);
}
static int gps_pcie_tty_write(struct tty_struct *tty, const unsigned char *buf, int count)
{
int port_num = tty->index;
int other_port_num = (port_num == 0) ? 1 : 0;
struct tty_port *other_port = gps_pcie_tty_ports[other_port_num];
struct tty_struct *other_tty = tty_port_tty_get(other_port);
// 另一个tty设备
if (other_tty) {
// 向上递交数据
tty_insert_flip_string(other_port, buf, count);
tty_flip_buffer_push(other_port);
tty_kref_put(other_tty);
}
return count;
}
static const struct tty_operations gps_pcie_tty_ops = {
.open = gps_pcie_tty_open,
.close = gps_pcie_tty_close,
.write = gps_pcie_tty_write,
};
static int __init gps_pcie_tty_init(void)
{
int ret;
int i;
gps_pcie_tty_driver = tty_alloc_driver(VIRTUAL_TTY_MINORS, TTY_DRIVER_REAL_RAW);
if (IS_ERR(gps_pcie_tty_driver))
return PTR_ERR(gps_pcie_tty_driver);
gps_pcie_tty_driver->owner = THIS_MODULE;
gps_pcie_tty_driver->driver_name = DRIVER_NAME;
gps_pcie_tty_driver->name = "ttyPCIE";
gps_pcie_tty_driver->major = TTY_MAJOR_AUTO;
gps_pcie_tty_driver->minor_start = 0;
gps_pcie_tty_driver->type = TTY_DRIVER_TYPE_SERIAL;
gps_pcie_tty_driver->subtype = SERIAL_TYPE_NORMAL;
gps_pcie_tty_driver->init_termios = tty_std_termios;
gps_pcie_tty_driver->init_termios.c_cflag = B9600 | CS8 | CREAD | HUPCL | CLOCAL;
tty_set_operations(gps_pcie_tty_driver, &gps_pcie_tty_ops);
for (i = 0; i < VIRTUAL_TTY_MINORS; i++) {
gps_pcie_tty_ports[i] = kzalloc(sizeof(struct tty_port), GFP_KERNEL);
if (!gps_pcie_tty_ports[i]) {
ret = -ENOMEM;
goto err_free_ports;
}
tty_port_init(gps_pcie_tty_ports[i]);
gps_pcie_tty_ports[i]->ops = &gps_pcie_tty_port_ops;
gps_pcie_tty_driver->ports[i] = gps_pcie_tty_ports[i];
}
ret = tty_register_driver(gps_pcie_tty_driver);
if (ret) {
goto err_free_ports;
}
pr_info("gps_pcie_tty loaded\n");
return 0;
err_free_ports:
for (i = 0; i < VIRTUAL_TTY_MINORS; i++) {
if (gps_pcie_tty_ports[i])
{
kfree(gps_pcie_tty_ports[i]);
gps_pcie_tty_ports[i] = NULL;
}
}
if(gps_pcie_tty_driver)
{
tty_driver_kref_put(gps_pcie_tty_driver);
}
return ret;
}
static void __exit gps_pcie_tty_exit(void)
{
int i;
tty_unregister_driver(gps_pcie_tty_driver);
for (i = 0; i < VIRTUAL_TTY_MINORS; i++) {
if (gps_pcie_tty_ports[i] != NULL)
{
tty_port_tty_hangup(gps_pcie_tty_ports[i], false);
tty_port_destroy(gps_pcie_tty_ports[i]);
kfree(gps_pcie_tty_ports[i]);
gps_pcie_tty_ports[i] = NULL;
}
}
if(gps_pcie_tty_driver)
{
tty_driver_kref_put(gps_pcie_tty_driver);
}
gps_pcie_tty_driver = NULL;
pr_info("gps_pcie_tty driver unloaded\n");
}
module_init(gps_pcie_tty_init);
module_exit(gps_pcie_tty_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("One Code");
MODULE_DESCRIPTION("One-Code PCIE TTY DRIVER");
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