LinuxTTY 子系统4

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LinuxTTY 子系统4（基于Linux6.6）---console driver介绍

一、概述

在Linux内核中，console框架是一个负责将信息从内核输出到终端、屏幕、串口等设备的子系统。控制台（console）是操作系统中与用户交互的最基本方式之一，Linux内核通过控制台将重要的内核日志信息、错误消息、调试信息等输出给用户。控制台也通常是系统启动时默认的用户界面，直到图形界面或其他更高级的终端被加载。

控制台的组成

Linux的控制台框架由多个组件构成，主要包括：

控制台设备（Console Device）：负责输出信息到终端或物理设备。可以是屏幕、串口、虚拟终端等。
控制台操作结构（Console Operations）：定义了控制台的行为，包括输出字符、输入字符、刷新屏幕等操作。
控制台管理（Console Management）：用于管理多个控制台设备的注册和切换。

二、设计思路

既然已经有了TTY框架，为什么要多出来一个console框架，为什么不能直接使用TTY driver的接口实现console功能？

TTY框架的核心功能，就是管理TTY设备，并提供访问TTY设备的API（如数据收发）。而console的两个功能需求，“日志输出”就是向TTY设备发送数据，“控制台人机交互”就是标准的TTY功能。因此从功能上看，完全可以直接使用TTY框架的API啊。

不过，既然存在，一定有其意义。内核之所以要抽象出console框架，思路如下：

1）Linux kernel有一个很强烈的隐性规则----内核空间的代码不应该直接利用用户空间接口访问某些资源，例如kernel代码不应该直接使用文件系统接口访问文件（虽然它可以）。回到本文的场景里面，TTY框架通过字符设备（也即文件系统）向用户空间提供接口，那么kernel的代码（如printk），就不能直接使用TTY的接口访问TTY设备，怎么办呢？开一个口子，从kernel里面再拉出一套接口，这就是console框架，如下图所示：

2）console框架构建在TTY框架之上，大部分的实现都和TTY框架复用。

3）系统中可以有多个TTY设备，只有那些附加了console驱动的设备，才有机会成为kernel日志输出的目的地，有机会成为控制台终端。因此，console框架变相的成为管理TTY设备的一个框架。

4）某个TTY设备编写TTY driver的时候，会根据实际的需求，评估该TTY设备是否可能成为控制台设备，如果可能，则同时为其编写system console driver，使其成为候选的控制台设备。系统工程师在系统启动的时候，可以通过kernel命令行参数，决定printk会在哪些候选设备上输出，那个候选设备最终会成为控制台设备。示意图如下：

三、核心数据结构

理解了console框架的设计思路之后，再来看它的实现，就很简单了。其核心数据结构为struct console，如下：

include/linux/console.h

struct console {
	char			name[16];
	void			(*write)(struct console *co, const char *s, unsigned int count);
	int			(*read)(struct console *co, char *s, unsigned int count);
	struct tty_driver	*(*device)(struct console *co, int *index);
	void			(*unblank)(void);
	int			(*setup)(struct console *co, char *options);
	int			(*exit)(struct console *co);
	int			(*match)(struct console *co, char *name, int idx, char *options);
	short			flags;
	short			index;
	int			cflag;
	uint			ispeed;
	uint			ospeed;
	u64			seq;
	unsigned long		dropped;
	void			*data;
	struct hlist_node	node;

	/* nbcon console specific members */
	bool			(*write_atomic)(struct console *con,
						struct nbcon_write_context *wctxt);
	bool			(*write_thread)(struct console *con,
						struct nbcon_write_context *wctxt);
	void			(*driver_enter)(struct console *con, unsigned long *flags);
	void			(*driver_exit)(struct console *con, unsigned long flags);
	atomic_t		__private nbcon_state;
	atomic_long_t		__private nbcon_seq;
	struct printk_buffers	*pbufs;
	struct task_struct	*kthread;
	struct rcuwait		rcuwait;
	struct irq_work		irq_work;
};

该数据结构中经常被使用的字段有：

name，该console的名称，配合index字段，可用来和命令行中的“console=xxx”中的“xxx”匹配，例如：

1.如果name为“ttyXS”，index为大于等于0的数字（例如2），则可以和“console=ttyXS2”匹配；

2.如果name为“ttyXS”，index为小于0的数字（例如-1），则可以和“console=ttySXn“（n=0,1,2…）任意一个匹配。

write，如果某个console被选中作为printk的输出，则kernel printk模块会调用write回调函数，将日志信息输出到。

device，获取该console对应的TTY driver，用于将console和对应的TTY设备绑定，这样控制台终端就可以和console共用同一个TTY设备了。

setup，用于初始化console的回调函数，console driver可以在该回调函数中对硬件做出现动作。可以不实现，如果实现，则必须返回0，否则该console不可用。

flags，指示属性的flags，常用的包括：

CON_BOOT，该console是一个临时console，只在启动的时候使用，kernel会在真正的console注册后，把它注销掉。

CON_CONSDEV，表示该console会被用作控制台终端（和/dev/console对应），对应命令行中的最后一个，例如“console=ttyXS0 console=ttyUSB2”中的ttyUSB2。

CON_PRINTBUFFER，如果设置了该flag，kernel在该console被注册的时候，会将那些被缓存到buffer中的之前的日志，统统输出到该console上。通常注册的console，如串口console，都会设置该flag，以便可以看到console注册前的日志输出。

CON_ENABLED，表示该console正在被使用。

四、接口说明

4.1 console driver的注册接口

对具体的console driver来说，只需要关心console的注册/注销接口即可：

include/linux/console.h

extern void register_console(struct console *);
extern int unregister_console(struct console *);

在正确填充struct console变量之后，通过register_console接口将其注册到kernel中即可。该接口将会完成如下的事情：

1.检查该console的name和index，确认之前没有注册过，否则注册失败；

2.如果该console为boot console（CON_BOOT），确认是第一个注册的boot console，否则注册失败；

3.如果系统中从来没有注册过console，则将第一个被注册的、可以setup成功（.setup为NULL或者返回0）的console作为正在使用的console，并使能之（CON_ENABLED）；

4.command line中的“console=xxx”最对比，使能那些在命令行中指定的console；

5.查找在command line中指定的最后一个console，并置位其CON_CONSDEV flag，表明选择它为控制台console。

4.2 用户层面接口

系统console的使用控制，主要由命令行参数（一般都是bootloader传递而来的）指定，总结如下：

1）如果某个console只需要在启动的时候使用，则需要在注册console的时候，置位其CON_BOOT标志，例如[3]中介绍的early console。

2）如果系统中注册了多个console，可以通过命令行参数指定使用哪个或者哪些，kernel的日志将会输出到所有在命令行指定了的console上面。

3）命令行中指定的最后一个console，将会作为控制台console，应用程序打开/dev/console将会打开该console对应的TTY设备（由.device回调返回的tty driver指定）。

五、console driver的编写步骤

5.1、创建控制台驱动模块

创建一个新的内核模块，来实现控制台功能。

初始化内核模块

创建一个源文件（例如 my_console.c），并编写基本的模块框架：

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/console.h>
#include <linux/uaccess.h>

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Your Name");
MODULE_DESCRIPTION("Simple Console Driver");

static int __init my_console_init(void) {
    printk(KERN_INFO "My Console Driver initialized.\n");
    return 0;
}

static void __exit my_console_exit(void) {
    printk(KERN_INFO "My Console Driver exited.\n");
}

module_init(my_console_init);
module_exit(my_console_exit);

这个代码只是初始化了一个简单的内核模块，在加载和卸载时输出日志信息。

定义控制台操作结构体

控制台操作结构体 console_operations 定义了控制台的 I/O 函数。常见的操作包括输入（读取）、输出（写入）等。你需要实现这些操作。

static struct console my_console;

static int my_console_write(struct console *co, const char *s, unsigned int count) {
    unsigned int i;

    for (i = 0; i < count; i++) {
        // 输出每个字符到硬件
        printk(KERN_INFO "%c", s[i]);  // 这里仅输出到内核日志，实际可以写入硬件
    }
    return count;
}

static struct console my_console = {
    .name = "my_console",          // 控制台名称
    .write = my_console_write,     // 写操作
    .flags = CON_PRINTBUFFER,      // 将输出定向到内核日志
};

static int __init my_console_init(void) {
    printk(KERN_INFO "My Console Driver initialized.\n");

    // 注册控制台
    register_console(&my_console);
    return 0;
}

static void __exit my_console_exit(void) {
    printk(KERN_INFO "My Console Driver exited.\n");

    // 注销控制台
    unregister_console(&my_console);
}

module_init(my_console_init);
module_exit(my_console_exit);

5.2、实现控制台输入处理（可选）

除了输出功能，还可以实现输入处理。输入通常是由设备中断或轮询方式实现的。

例如，可以添加一个简单的输入处理函数：

static int my_console_read(struct console *co, char *buf, unsigned int count) {
    // 在这里实现读取输入的代码
    // 假设每次返回一个字符，实际可以从设备缓存中读取数据
    return 0;  // 返回读取的字节数
}

static struct console my_console = {
    .name = "my_console",          // 控制台名称
    .write = my_console_write,     // 写操作
    .read = my_console_read,       // 读操作
    .flags = CON_PRINTBUFFER,      // 打印到内核日志
};