LinuxTTY 子系统2_linux tty子系统-优快云博客

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LinuxTTY 子系统2（基于Linux6.6）---tty架构

一、软件架构

Linux kernel TTY framework位于“drivers/tty”目录中，其软件框架如下所示：

Linux其它的framework类似，TTY framework通过TTY core屏蔽TTY有关的技术细节，对上以字符设备的形式向应用程序提供统一接口，对下以TTY device/TTY driver的形式提供驱动程序的编写框架。

1.1、TTY Core

TTY core是TTY framework的核心逻辑，功能包括：

1）以字符设备的形式，向用户空间提供访问TTY设备的接口，例如：

设备号(主, 次)        字符设备                                   备注
(5, 0)                     /dev/tty                                     控制终端（Controlling Terminal）
(5, 1)                     /dev/console                             控制台终端（Console Terminal）
(4, 0)                     /dev/vc/0 or /dev/tty0                  虚拟终端（Virtual Terminal）
(4, 1)                     /dev/vc/1 or /dev/tty1                  同上
…                         …                                             …
(x, x)                     /dev/ttyS0                                 串口终端（名称和设备号由驱动自行决定）
…                         …                                             …
(x, x)                     /dev/ttyUSB0                            USB转串口终端
…                         …                                             …

2）通过设备模型中的struct device结构抽象TTY设备，并通过struct tty_driver抽象该设备的驱动，并提供相应的register接口。TTY驱动程序的编写，简化为填充并注册相应的struct tty_driver结构。

注2：TTY framework弱化了TTY设备（图片1中使用虚线框标注）的概念，通常情况下，可以在注册TTY驱动的时候，自动分配并注册TTY设备。

3）使用struct tty_struct、struct tty_port等数据结构，从逻辑上抽象TTY设备及其“组件”，以实现硬件无关的逻辑。

4）抽象出名称为线路规程（Line Disciplines）的模块，在向TTY硬件发送数据之前，以及从TTY设备接收数据之后，进行相应的处理（如特殊字符的转换等）。

1.2 System Console Core

在 Linux 内核中，system console（系统控制台）主要有两个功能：

1. 显示内核信息

系统控制台用于输出内核启动过程中的各种信息。具体来说，当 Linux 内核启动时，会将内核的日志信息（包括启动时的初始化过程、驱动加载、硬件检测等）打印到控制台设备上。这些信息对调试和系统诊断非常重要。

启动信息：系统控制台会显示内核引导信息，例如内核版本、硬件信息、磁盘驱动加载情况、网络接口配置等。
错误信息：当系统发生错误或崩溃时，系统控制台也会显示相关的错误信息，帮助系统管理员进行问题定位。例如，如果发生内核恐慌（Kernel Panic），错误信息会被打印到控制台。

通过控制台输出，管理员可以在没有图形界面的情况下，看到系统的运行状态和错误日志。通常，内核会通过虚拟终端（如 /dev/tty0）或者串行端口（如 /dev/ttyS0）来输出这些信息。

2. 与用户进行交互

系统控制台还可以作为一个与内核交互的接口，允许系统管理员在系统出现问题时执行一些紧急操作或修复。例如：

中断控制台操作：在某些情况下，内核可能会通过控制台显示一个提示信息，等待用户的输入（例如，在发生严重错误时）。管理员可以使用控制台来输入调试命令或选择恢复操作。
远程控制台管理：在服务器和嵌入式系统中，系统控制台还可以通过串口或网络进行远程管理（如通过 SSH 登录或串行控制台进行交互）。通过远程控制台，管理员可以在系统无法正常启动时（比如没有图形界面）访问并诊断系统。

1.3 TTY Line Disciplines

TTY Line Discipline 的基本概念

TTY Line Discipline（简称 LDISC）可以理解为一组负责终端数据处理和流控制的内核模块。每个终端设备（如 /dev/tty、/dev/pts 等）都与一个 TTY Line Discipline 相关联，用于执行对终端数据的操作，包括输入、输出、特殊字符处理等。

在 Linux 中，TTY Line Discipline 可以理解为类似于驱动程序的功能模块，每个终端设备都有一个 LDISC 模块来定义其行为。

主要的 TTY Line Disciplines

Linux 内核中有多种 TTY Line Discipline，用于处理不同类型的终端或特定场景的需求。最常见的 TTY Line Discipline 包括：

1. 标准行规程（canonical line discipline, LDISC 0）

这是最常见的 LDISC 类型，也叫“标准行规程”或“规范模式”。它负责处理常规的字符输入输出操作，通常用于终端（tty）设备的基本交互。

特点：
- 输入的字符会缓存在内核缓冲区中，直到用户按下回车键（或特定的终止符）后，输入的字符才会传送给应用程序。
- 支持 行编辑 和 特殊字符（如删除、换行、回退等）的处理。
- 实现对字符的 输入模式设置 和 控制字符解释（例如控制字符 Ctrl+C 发送 SIGINT，Ctrl+Z 发送 SIGTSTP）。
用途：
- 用于标准的终端或控制台。
- 支持交互式应用程序（如命令行交互）在标准输入输出上的操作。

2. 非规范行规程（non-canonical line discipline, LDISC 1）

与标准行规程不同，非规范行规程通常用于处理流式数据，如串行端口通信或管道中的数据。

特点：
- 在非规范模式下，输入的数据不需要等待回车键，数据一旦输入就会立即传输给应用程序。
- 数据是流式的，每个字符的输入都立即可见，不进行缓冲。
- 通常用于实时应用，如串行通信，或者某些高性能的数据流应用。
用途：
- 串行设备通信（如 /dev/ttyS0）。
- 需要高效数据流处理的场景。

3. 伪终端行规程（pseudo-terminal line discipline, LDISC 2）

伪终端行规程主要用于处理伪终端设备，通常与图形终端仿真（如 X 终端或虚拟终端）相关。

特点：
- 它允许通过伪终端设备来模拟终端交互，包括从控制台发送和接收数据。
- 通常与图形界面的 xterm、gnome-terminal 或通过 SSH 建立的远程会话等虚拟终端相关联。
用途：
- 用于虚拟终端和伪终端设备（如 /dev/pts）的管理。
- 支持图形终端和多用户会话。

4. 串行通信行规程（serial line discipline, LDISC 3）

这是一个用于串行设备的特殊行规程，通常与串行通信（如串行端口、调制解调器）相关。

特点：
- 支持串行端口设备的流控制（如 XON/XOFF、RTS/CTS）和特殊字符处理。
- 在串行通信中，对数据的流量控制、错误检测和恢复等操作至关重要。
用途：
- 串口通信（如 /dev/ttyS0）。
- 调制解调器、嵌入式系统的串行端口通信。

5. 网络行规程（network line discipline, LDISC 4）

网络行规程通常用于处理通过网络连接的终端设备，尤其是在需要网络通信时。

特点：
- 实现与网络相关的特定数据传输和协议处理功能。
- 常见的应用场景包括使用 PPP（点对点协议）或 SLIP（串行线路互联网协议）连接。
用途：
- 支持远程网络设备的输入输出。
- 用于虚拟终端和网络终端之间的数据交换。

Line Discipline 的工作原理

每个 TTY 设备都有一个关联的 Line Discipline，负责处理对终端设备的输入输出操作。在终端设备的整个数据流过程中，Line Discipline 通过一系列的输入处理和输出处理步骤来控制数据的传输行为。

1. 输入处理

当数据输入到终端设备时，Line Discipline 会根据其类型对数据进行相应的处理：

在 规范模式 下，输入的字符会缓存在内核的输入缓冲区，直到特定的字符（如换行符）出现时，输入的完整行才会交给应用程序。
在 非规范模式 下，字符立即被传输到应用程序，不进行缓冲。

2. 输出处理

Line Discipline 也负责控制从内核输出到终端设备的数据：

规范模式：当数据传递给应用程序时，它会自动进行行编辑和控制字符的处理。
非规范模式：数据会原样发送到终端设备，适用于实时流数据。

3. 控制字符的处理

Line Discipline 还需要处理控制字符，如：

Ctrl+C 中断当前操作（发送 SIGINT）。
Ctrl+Z 挂起当前进程（发送 SIGTSTP）。
Ctrl+D 表示输入结束（发送 EOF）。

如何管理 Line Discipline

在 Linux 中，Line Discipline 通过 /dev/tty 设备节点与内核进行交互。管理员可以通过以下命令管理和查看当前的 Line Discipline 配置：

查看当前终端的 Line Discipline：

```
cat /proc/tty/driver/serial
```
更改 Line Discipline：可以使用 stty 命令来配置终端的行为，虽然 stty 本身不能直接更改 Line Discipline，但它会影响终端的输入输出模式。

1.4 TTY Drivers以及System Console Drivers

最后，对内核以及驱动工程师来说，更关注的还是具体的TTY设备驱动。在kernel为我们搭建的如此beauty的框架下面，编写相应的driver就成为一件比较简单的事情了。当然的kernel中，主要的TTY driver有两类：

1. 字符设备驱动（Character Device Driver）

字符设备驱动主要负责管理和操作终端设备（如 /dev/tty、/dev/ttyS0 等）。这些设备主要处理字节流数据，一次处理一个字符。它们包括本地终端、串行端口设备、伪终端等。

主要功能：

管理字符输入输出。
支持流控制、特殊字符处理等。
提供基本的输入输出机制（如读写操作）。
实现与内核的字符流交互。

常见的字符设备：

本地终端设备（TTY）：包括控制台、虚拟终端（/dev/tty1, /dev/tty2, /dev/ttyS0等）。
串行端口设备：如 /dev/ttyS0，用于串行通信。
伪终端设备：如 /dev/pts/0，用于虚拟终端的连接（如 X 终端和 SSH 会话）。

关键组件：

tty驱动（tty driver）：实现与硬件设备的交互，包括读写字符的操作。
line discipline（LDISC）：控制字符输入输出的行为，如规范模式或非规范模式。
tty层（TTY layer）：负责管理所有的终端设备，协调驱动与应用程序之间的通信。

2. 控制台驱动（Console Driver）

控制台驱动是用于处理终端显示的驱动程序，通常与显示设备（如图形界面控制台或虚拟控制台）相关联。它管理用户与操作系统的交互，输出内核信息，并提供一个基本的界面来显示信息。

主要功能：

管理显示输出（如文本输出、日志信息）。
提供一个基本的用户交互界面（如 Ctrl+Alt+F1 切换虚拟控制台）。
支持文本模式的输入输出。

常见的控制台驱动：

本地控制台（如 /dev/console）：通常是与物理显示器和键盘连接的终端设备，用于显示启动信息、内核日志以及与系统交互。
虚拟控制台：如 /dev/tty1, /dev/tty2 等，用于多用户环境下的多终端管理。
帧缓冲控制台（Framebuffer Console）：支持图形模式的控制台，可以显示图形和文本。

关键组件：

console driver：实现控制台的输出和输入处理，控制字符的显示格式以及输入的处理。
framebuffer：提供图形界面的显示支持，允许在控制台上显示图像、字体等。

二、总结

Linux TTY 框架是一个高度模块化的软件架构，负责管理所有与终端相关的操作。TTY（TeleTYpewriter）最初是为字符终端（例如早期的电传打字机）设计的，但随着时间推移，它变得更加通用，支持多种终端类型，如虚拟终端、串行端口、伪终端等。TTY 框架的设计旨在抽象化硬件细节，提供一个一致的接口，允许用户和应用程序与终端设备交互。

2.1、TTY 框架的核心概念

TTY 框架的核心概念主要包括以下几个组成部分：

TTY设备：表示一个终端设备，可以是本地物理终端、虚拟终端或串行设备。
TTY驱动：负责与硬件或虚拟终端的通信。
Line Discipline（LDISC）：终端的行级协议，处理输入输出流，支持终端控制（如回显、行模式）。
字符设备接口：TTY设备是字符设备，提供了标准的文件操作接口（如 read、write、ioctl）。
控制台驱动：提供与内核的交互界面，通常与屏幕输出和用户输入相关。
虚拟控制台（VC）：虚拟终端是 Linux 系统支持的多个并行终端，允许用户通过多个会话同时操作系统。

2.2、TTY 框架的层次结构

TTY 框架可以从以下几个层次来看：

1. TTY 设备层（TTY Device Layer）

这一层表示具体的终端设备，包括串行端口（如 /dev/ttyS0）和虚拟终端（如 /dev/tty1, /dev/pts/0）。每个设备都有一个 struct tty_struct，表示一个终端实例。
这个结构体中保存了终端的状态、缓冲区、设备驱动程序的引用等信息。

关键函数：

tty_open(): 打开一个 TTY 设备。
tty_read() 和 tty_write()：实现读取和写入操作。
tty_ioctl()：用于处理终端设备特定的控制命令。

2. Line Discipline（LDISC）层

Line Discipline 是一个层次化的机制，负责处理输入和输出的行级协议。每个 TTY 设备都可以关联一个 Line Discipline 来处理特定的输入输出流。
Line Discipline 的作用包括字符编辑、流控制、特殊字符的处理（如回车、换行、删除键等）。
Linux 默认的 Line Discipline 是 N_TTY，但也支持其他协议，如 N_ASKFIRST 或 N_SLIP。

关键函数：

ldisc_open(): 打开 Line Discipline。
ldisc_receive_buf(): 处理接收到的数据。
ldisc_flush(): 清空 Line Discipline 中的数据缓冲区。

3. TTY 驱动层（TTY Driver Layer）

TTY 驱动层与硬件或虚拟终端设备进行通信，负责将用户空间的 I/O 请求映射到硬件接口。它包含了各种特定的设备驱动程序，比如串行端口驱动（ttyS 驱动）、虚拟终端驱动（tty 驱动）等。
驱动层的作用是提供对硬件或伪硬件设备的访问，以便从 TTY 设备中读取或写入数据。

关键函数：

tty_driver 结构体：定义了设备驱动的操作（如 open、close、read、write）。
tty_insert_flip_char(): 插入一个字符到 TTY 的缓冲区中。
tty_flip_buffer_push(): 将缓冲区中的字符推送到用户空间。

4. 控制台驱动层（Console Driver Layer）

控制台驱动用于处理与控制台设备相关的输入输出，特别是在没有图形界面的情况下。
主要负责将内核日志、系统消息显示到用户的控制台，并允许用户与系统进行交互。
控制台驱动通常与虚拟控制台和帧缓冲设备相关联。

关键函数：

console_driver 结构体：定义了控制台设备的操作。
console_unlock()：用来打印信息到控制台。
console_init()：初始化控制台设备。

5. 伪终端（PTY）层

伪终端是一种特殊的设备，通常用于实现远程会话（如 SSH）或图形化终端（如 X11）。它通过“主/从”终端设备进行通信，其中主设备（/dev/ptmx）负责创建和管理虚拟终端对，而从设备（如 /dev/pts/0）则用于和用户交互。
伪终端的实现通过对 struct tty_struct 进行分配和管理，允许在用户空间和内核空间之间交换数据。

关键函数：

pty_open()：打开伪终端设备。
tty_init()：初始化伪终端。

2.3、TTY 框架的主要组件

tty_struct：每个 TTY 设备都有一个 struct tty_struct，它包含了终端的状态、输入输出缓冲区、Line Discipline、控制字符等信息。
tty_driver：每种终端设备类型（如串行、虚拟、伪终端）都有一个对应的 tty_driver，它定义了对设备的操作函数。
console_driver：控制台驱动实现，负责内核信息的显示和用户输入的处理。
tty_port：用于串行端口等硬件设备的表示，支持硬件中断和缓冲区的管理。

2.4、TTY 设备的工作流程

设备初始化：当 TTY 设备被打开时，内核会为每个终端分配一个 tty_struct，并初始化相关的驱动程序、Line Discipline 和缓冲区。
数据读写：用户通过 read 或 write 系统调用与终端交互，内核将用户数据通过 TTY 驱动程序和 Line Discipline 传输到终端。
输入输出处理：TTY 系统通过行编辑（Line Discipline）处理输入的字符流，进行特殊字符的处理，回显或进行流控制。
输出到控制台：如果是控制台终端，数据最终将通过控制台驱动显示到屏幕上。