LinuxTTY 子系统1

LinuxTTY 子系统1（基于Linux6.6）---基本概念

 

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一、概述

在 Linux 操作系统中，tty（Teletypewriter）是指一个与终端设备（例如命令行界面、串口设备等）交互的抽象层。尽管最初的 tty 源自早期的电传打字机（teletypewriter）设备，但在现代 Linux 系统中，tty 主要代表了用户与操作系统之间的文本输入输出设备，通常通过命令行界面进行交互。

1. tty 的起源与历史

tty 最早是指与计算机进行交互的物理终端设备，如电传打字机和早期的字符显示器。后来，随着计算机技术的发展，物理终端逐渐被虚拟终端（pseudo-terminal，简称 PTY）所替代，尤其是在 UNIX 和 Linux 系统中，虚拟终端使得多个用户和会话可以同时访问操作系统。

2. tty 的现代含义

在现代 Linux 系统中，tty 通常有以下几个含义：

• 物理终端设备：指系统中的物理串口设备或控制台终端（例如 /dev/tty1, /dev/ttyS0 等）。
• 虚拟终端（VT）：指通过屏幕和键盘模拟的终端设备，通常是多用户环境下的用户输入输出通道。例如，使用 Ctrl+Alt+F1 切换到的终端会话就是一个虚拟终端（如 /dev/tty1）。
• 伪终端（PTY）：用于支持终端仿真和远程连接。伪终端设备通常由应用程序（如 ssh、xterm、screen 等）使用，提供虚拟的终端会话。例如 /dev/pts/0 是一个伪终端设备，通常由 ssh 或终端仿真程序使用。

3. tty 设备类型

在 Linux 系统中，tty 设备通常可以分为以下几类：

• 物理终端设备（Physical TTY）：

  • 控制台终端：例如 /dev/tty1, /dev/tty2 等，表示系统的物理终端。每个数字表示一个控制台，用户可以在这些控制台之间切换。
  • 串口设备：如 /dev/ttyS0、/dev/ttyUSB0 等，表示串口或 USB 转串口设备。用于与外部设备（如调试工具、嵌入式设备等）进行串行通信。

• 虚拟终端（Virtual Terminal）：每个虚拟终端都映射到一个设备文件，例如 /dev/tty1 至 /dev/tty6 通常用于控制台登录。通过 Ctrl+Alt+F1 到 Ctrl+Alt+F6 可以切换到这些虚拟终端。

• 伪终端（PTY，Pseudo-terminal）：

  • 伪终端主要用于应用程序（如远程登录、图形化终端、命令行工具等）之间的交互。伪终端包括主设备（Master）和从设备（Slave）。主设备是虚拟终端的创建者，通常通过 /dev/pts/0、/dev/pts/1 等表示，从设备则用于输入输出的实际交互。
  • 例如，在 SSH 会话中，每个用户连接都会通过一个伪终端（如 /dev/pts/0）进行通信。

4. 如何使用 tty

查看当前终端设备

可以使用 tty 命令来查看当前用户会话所在的终端设备：

$ tty
/dev/tty1

该命令返回当前终端的设备文件。例如，/dev/tty1 表示用户正在 /dev/tty1 虚拟终端中工作。

切换终端会话

在 Linux 中，用户可以通过快捷键 Ctrl+Alt+F1 至 Ctrl+Alt+F6 在不同的虚拟终端之间切换。每个虚拟终端都映射到 /dev/tty1 至 /dev/tty6。

使用 dmesg 查看 tty 设备信息

可以通过 dmesg 命令查看内核启动过程中识别到的终端设备：

$ dmesg | grep tty
[    0.000000] console [tty0] enabled
[    0.547317] 00:06: ttyS0 at I/O 0x3f8 (irq = 4) is a 16550A

stty 命令配置 tty 设备

stty（set terminal）命令用于配置终端设备的行为。例如，可以设置字符大小、控制字符、输入输出模式等。

$ stty -F /dev/ttyS0 9600

这条命令将串口设备 /dev/ttyS0 的波特率设置为 9600。

5. tty 的应用场景

• 远程连接：通过 SSH 或其他协议远程登录到 Linux 系统时，每个会话都会通过一个伪终端（如 /dev/pts/0）与主机进行交互。
• 串口通信：嵌入式开发和调试中，经常使用串口设备（如 /dev/ttyS0）与外部硬件进行通信。
• 多用户系统：多用户可以同时登录到不同的虚拟终端（例如 /dev/tty1 到 /dev/tty6），并在系统中独立操作。
• 终端仿真：像 xterm 或 gnome-terminal 这样的终端仿真程序，实际上会在虚拟终端中创建伪终端设备，通过图形界面与操作系统交互。

二、终端（terminal）

2.1 基本概念

在计算机或者通信系统中，终端是一个电子（或电气）设备，用于向系统输入数据（input），或者将系统接收到的数据显示出来（output），即我们常说的“人机交互设备”。

关于终端最典型的例子，就是电传打字机（Teletype）[1][2]----一种基于电报技术的远距离信息传送器械。电传打字机通常由键盘、收发报器和印字机构等组成。发报时，按下某一字符键，就能将该字符的电码信号自动发送到信道（input）；收报时，能自动接收来自信道的电码信号，并打印出相应的字符（output）。

2.2 Unix终端

在计算机的世界里，键盘和显示器，是最常用的终端设备，一个用于向计算机输入信息，一个用于显示计算机的输出信息。

在大型机(mainframe)和小型机(minicomputer)的时代里，终端设备和计算机主机都同属一个整体。但到PC时代，情况发生了变化。Unix创始人肯•汤普逊和丹尼斯•里奇想让Unix成为一个多用户系统。多用户系统意味着要给每个用户配置一个终端，每个用户都要有一个显示器、一个键盘。但当时所有的计算机设备(包括显示器)价格都非常昂贵，而且键盘和主机是集成在一起的，根本没有独立的键盘。

最后他们找到了一样东西，那就是ASR33电传打字机。虽然电传打字机的用途是在电报线路上收发电报，但是它也可以作为人与计算机的接口，而且价格低廉。ASR33打字机的键盘用来输入信息，打印纸用来输出信息。所以他们把ASR33电传打字机作为终端，很多个ASR33连接到同一个主机，每个用户都可以在终端输入用户名和密码登录主机。这样他们创造了计算机历史上的第一个真正的多用户系统Unix，而ASR33成为第一个Unix终端。

2.3 TTY设备

由上面的介绍可知，第一个Unix终端是一个名字为ASR33的电传打字机，而电传打字机的英文单词为Teletype（或Teletypewritter），缩写为TTY。因此，该终端设备也被称为TTY设备。这就是TTY这个名称的来源，当然，在现在的Unix/Linux系统中，TTY设备已经演变为不同的意义了，后面我们会介绍演变的过程。

注1：读到这里，希望读者再仔细思索一下“设备”的概念。ASR33的电传打字机本身是一个硬件设备，在Unix/Linux系统中，这个硬件设备被抽象为“TTY设备”。

2.4 串口终端（Serials Terminal）

早期的TTY终端（这里暂时特指电传打字机），一般通过串口和Unix设备连接的，如下所示：

可以把上面红色部分（电传打字机），替换为任意的具有键盘、显示器、串口的硬件设备（如另一台PC），如下：

因此，对Unix/Linux系统来说，只要是通过串口连接的设备，都可以作为终端设备，因而不再需要关注具体的终端形态。久而久之，终端设备、TTY设备、串口设备等概念，逐渐混在一起，就不再区分了，总结来说，在当今的Linux系统中：

1）TTY设备就是终端设备，终端设备就是TTY设备，无需区分。

2）所有的串口设备都是TTY设备。

3）当然，除了串口设备，也发展出来了其它形式的TTY设备，例如虚拟终端（VT）、伪终端（Pseudo Terminal）等等。

三、控制台（console）

了解了终端和TTY的概念之后，再来看看另一个比较熟悉的概念：console。

回到Unix系统刚刚支持多用户（2.2小节的描述）的时代，此时的PC有一个自带的、昂贵的终端（自身的键盘、显示器等），另外为了支持多用户，可以通过串口线连接多个TTY终端（Teletype）。为了彰显自带终端崇高的江湖地位，人们称它为console。

从console的中文翻译-----控制台，可以看出，自带终端（console）有别于TTY终端的地方如下：

1）控制台（console）是昂贵的。

2）控制台（console）比TTY终端拥有更多的权限，例如用户建立、密码更改、权限分配等等，这也是“控制”的意义所在。

3）系统的运行日志、出错信息等内容，通常只会输出到控制台（console）终端中，以方便管理员进行“控制”和“管理”。

不过，随着计算机技术的发展、操作系统的改进，控制台（console）终端和普通TTY终端的界限越来越模糊，console能做的事情，普通终端也都能做了。因此，console逐渐退化，以至于在当前的Linux系统中，它仅仅保留了第三点“日志输出”的功能，这就是Linux TTY framework中console的概念。