深入理解TTY体系：设备节点与驱动程序框架详解

往期内容

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Linux 链式与层级中断控制器讲解：原理与驱动开发
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编写虚拟的GPIO控制器的驱动程序：和pinctrl的交互使用

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往期内容
1.TTY体系中设备节点的差别
- 1.1 节点和术语
- 1.2 演变
- - 1.2.1 电传机teletype
  - 1.2.2 计算机与tty
  - - A.使用teletype
    - B.替换电传机
    - C.个人电脑和虚拟终端
- 1.3 在ubuntu上实验
- - 1.3.1 各类设备节点的差别
  - 1.3.2 /dev/ttyN(N=1,2,3,...)
  - 1.3.3 /dev/tty0
  - 1.3.4 /dev/tty
  - 1.3.5 Terminal和Console的差别
  - 1.3.6 /dev/console
2.TTY驱动程序框架
- 2.1 行程规的引入
- 2.2 TTY驱动程序框架

1.TTY体系中设备节点的差别

1.1 节点和术语

/dev/ttyS0、/dev/ttySAC0、/dev/tty、/dev/tty0、/dev/tty1、/dev/console，

它们有什么差别？

设备节点	含义
/dev/ttyS0、/dev/ttySAC0	串口
/dev/tty1、/dev/tty2、/dev/tty3、……	虚拟终端设备节点
/dev/tty0	前台终端
/dev/tty	程序自己的终端，可能是串口、也可能是虚拟终端不知道当前所处的中断说tty几，可以直接使用/dev/tty来指代自己
/dev/console	控制台，由内核的cmdline参数确定默认的情况下，当前是处于哪个ttyx，其就是console当然也可以通过设置cmdline来指定

TTY/Terminal/Console/UART，

它们有什么差别？

术语	含义
TTY	来自teletype，最古老的输入输出设备，现在用来表示内核的一套驱动系统
Terminal	终端，暗含远端之意，也是一个输入输出设备，可能是真实设备，也可能是虚拟设备
Console	控制台，含控制之意，也是一种Terminal，权限更大，可以查看内核打印信息
UART	串口，它的驱动程序包含在TTY驱动体系之内

控制台终端（console）

这类终端的输入设备通常是键盘，输出设备通常是显示器；

输入、输出设备通过各类总线直接和计算机相连；

“终端”其实是这些设备的一个逻辑抽象。

虚拟终端（VT）

控制台终端的输出设备（显示器）一般只有一个，同一时刻由一个应用程序独占；

但在多任务的操作环境中，有时需要在将终端切换给另一个应用程序之前，保留当前应用在终端上的输出，以方便后面查看；

因此Unix/Linux系统在控制台终端的基础上，又虚拟出来6个终端----称作虚拟终端，不同的应用程序可以在这些虚拟终端上独立的输出，在需要的时候，可以通过键盘的组合键（CTRL+ALT+
F1~F6）将某一个虚拟终端调出来在屏幕上显示。

串口终端（TTY）

这是正牌的TTY设备：

输入设备和输出设备集成在一个独立的硬件上（称作TTY设备），这个硬件和计算机通过串口连接；

输入设备（键盘）的输入动作，将会转换为串口上的RX数据包（以计算机为视角），发送给计算机；

计算机的输出会以TX数据包的形式发送给TTY设备，TTY设备转换后在输出设备（屏幕）上显示。

软件终端

这是我们现在最常用的终端：

既然人机交互的数据流可以封装后经过串口传输，那么终端设备的形式就不再受限了，只要可以接收用户的输入并打包通过串口发送给计算机，以及接收计算机从串口发来的输出并显示出来，任何设备都可以变成终端设备，例如另一台计算机；

当另一台计算机被当作终端设备时，通常不会把它的所有资源都用来和对端进行人机交互，常用的方法是，在这个计算机上利用软件，模拟出来一个“终端设备”。该软件就像一个中间商：从键盘接收用户输入，然后控制串口发送给对端；从串口接收对端的输出，然后在软件界面上显示出来；

平时大家经常使用的PuTTY、SecureCRT、Windows超级终端、等等，都是“软件终端”。

USB、网络等终端

既然串口可以作为人机交互数据的传说媒介，其它通信接口一样可以，例如USB、Ethernet、等等，其原理和串口终端完全一样，这里不再过多说明。

图形终端

前面所介绍的那些终端，人机交互的输出界面都是字符界面，随着计算机技术的发展，GUI界面慢慢出现并成为主流，这些通过GUI交互的形式，也可以称作图形终端。不过这已经超出了TTY
framework系列文章的讨论范围了，因为TTY的势力范围只涵盖字符界面。

1.2 演变

1.2.1 电传机teletype

teletype，更准确地说是teleprinter，是一种通信设备，可以用来发送、接收文本信息。

teletype是一家公司的名字，它生产的teleprinter实在太有名，结果公司名变成了这类产品的名字：teleprinter都被称为teletype了。

teletype被用来传输商业电报，想像一下：

把两台teletype的线缆接在一起，或者使用无线技术连接两台teletype
这边打字，另一边就可以接收到信息并通过纸张打印出来
注意：这两台teletype可以离得很远

1.2.2 计算机与tty

A.使用teletype

teletype的简称就是TTY。

最古老的计算机支持的是批处理模型：

怎么编程？卡片打孔，然后喂给计算机。
怎么得到输出信息？计算机根据结果在卡片上打孔，需要专人翻译这些卡片。

通过使用teletype电传机与计算机相连接，可以即时输入指令、即时看到结果。于是teletype变成了计算机的终端、Terminal，远端之意。teletype和计算机可以放在一个房间里，也可以放在很远很远的地方。

B.替换电传机

1960年代，CRT显示器+键盘，替代了teletype：

显示器替代了纸张
速度更快
成本更低
它仍然只是一个终端(terminal)，通过线缆连接到计算机
虽然不再是teletype，但是它的驱动程序仍然叫做TTY

它仍然是和计算机相连，其实就是现在台式机使用时配备的键盘以及显示器。

C.个人电脑和虚拟终端

像现在的电脑，虽然只有一个显示器和键盘，也就是一个物理终端，但是其打开多个命令行程序（terminal、shell），可以显示多个终端（虚拟终端），并不需要说多少个终端就需要多少个显示器。

1.3 在ubuntu上实验

1.3.1 各类设备节点的差别

1.3.2 /dev/ttyN(N=1,2,3,…)

/dev/tty3、/dev/tty4：表示某个程序使用的虚拟终端

// 在tty3、tty4终端来回切换，执行命令echo hello > /dev/tty3
echo hi    > /dev/tty4

虚拟终端是虚拟出来的一个终端，不对应具体的设备（屏幕和键盘）。应用程序可以打开某一个虚拟终端，以便和人进行交互。

对应用程序而言，这个终端和具体的物理终端，没有任何区别（应用程序也无法区分）。而对整个系统来说，由于物理资源（键盘和屏幕）只有一套，因此同一时刻只能和某一个虚拟终端对接。从另一个角度看，各个虚拟终端轮流使用物理资源和人进行交互，如下所示：

1.3.3 /dev/tty0

/dev/tty0：表示前台程序的虚拟终端

你正在操作的界面，就是前台程序
其他后台程序访问/dev/tty0的话，就是访问前台程序的终端，切换前台程序时，/dev/tty0是变化的

// 1. 在tty3终端执行如下命令
// 2. 然后在tty3、tty4来回切换while [ 1 ]; do echo msg_from_tty3 > /dev/tty0; sleep 5; done

1.3.4 /dev/tty

/dev/tty表示本程序的终端，可能是虚拟终端，也可能是真实的中断。

程序A在前台、后台间切换，它自己的/dev/tty都不会变。

// 1. 在tty3终端执行如下命令
// 2. 然后在tty3、tty4来回切换while [ 1 ]; do echo msg_from_tty3 > /dev/tty; sleep 5; done

1）通常情况下，Linux启动后，终端（以后都用TTY指代）的控制权会交给shell（一种应用程序）。所谓的控制权，就是指shell程序可以通过TTY读取终端的输入，以及通过TTY向终端输出。

2）通过shell，可以启动其它的应用程序，相应地，应用程序在需要的时候也会获得TTY的控制权。

3）同一时刻，只能有一个应用可以占有TTY，即只有一个应用可以通过TTY输入、输出。

4）那个占有TTY、可以进行输入输出的应用，称作前台应用。相应的，不能进行输入输出的应用，称作后台应用。因此，shell中只有一个前台应用，可以有多个后台应用。

5）然后，问题就来了：如果某个后台应用，就是想输入输出，怎么办？有一个办法，就是通过控制终端（control terminal）。

6）控制终端在Linux中的名称固定为/dev/tty, 设备号为(5, 0)，作用和/dev/console类似，进程可以通过TTY core提供的ioctl，选择控制终端所对应的实际的终端设备。

7）暂且抛开前台应用不谈（因为人家有TTY设备），对于那些后台应用，如果想输入输出，可以读取或者写入控制终端。此时，一般情况下，TTY core会向后台应用发送SIGTTIN(读取控制终端时) 或者 SIGTTOU（写入控制终端时）信号，这会终止该后台应用。

8）不过，shell会重设收到 SIGTTOU信号时的行为，于是，后台应用写入的内容，可以通过控制终端显示出来。

（不一定准确，只帮助理解）

1.3.5 Terminal和Console的差别

Terminal含有远端的意思，中文为：终端。Console翻译为控制台，可以理解为权限更大、能查看更多信息。

比如我们可以在Console上看到内核的打印信息，从这个角度上看：

Console是某一个Terminal
Terminal并不都是Console。
可以从多个Terminal中选择某一个作为Console
很多时候，两个概念混用，并无明确的、官方的定义

1.3.6 /dev/console

选哪个？内核的打印信息从哪个设备上显示出来？
可以通过内核的cmdline来指定，
比如: console=ttyS0 console=tty
我不想去分辨这个设备是串口还是虚拟终端，
有没有办法得到这个设备？
有！通过/dev/console！
console=ttyS0时：/dev/console就是ttyS0
console=tty时：/dev/console就是前台程序的虚拟终端
console=tty0时：/dev/console就是前台程序的虚拟终端
console=ttyN时：/dev/console就是/dev/ttyN
console有多个取值时，使用最后一个取值来判断

kernel启动的后期，会在kernel_init线程（最后会退化为init进程）中打开控制台终端。但是由上面3.1小节的介绍可知，控制台终端的类型、名称是五花八门的，怎么让kernel的核心代码无视这些差异呢？这就是“/dev/console”的存在意义：

在linux knerl 3.XX中，/dev/console的设备号固定为(5, 1) ，当init线程打开该设备的时候，TTY core会问system console core：喂，哪一个终端适合做控制台终端啊？

因此，最终打开的是那个具体的、可以当作控制台终端的设备，而“/dev/console”，仅仅是一个占位坑，如下图所示：

回到Unix系统支持多用户的时代，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。

当然，“江湖地位”之说，纯属玩笑，不过从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

2.TTY驱动程序框架

2.1 行程规的引入

下文来自：解密TTY

大多数用户都会在输入时犯错，所以退格键会很有用。这当然可以由应用程序本身来实现，但是根据UNIX设计“哲学”，应用程序应尽可能保持简单。为了方便起见，操作系统提供了一个编辑缓冲区和一些基本的编辑命令（退格，清除单个单词，清除行，重新打印），这些命令在行规范（line discipline）内默认启用。高级应用程序可以通过将行规范设置为原始模式（raw mode）而不是默认的成熟或准则模式（cooked and canonical）来禁用这些功能。大多数交互程序（编辑器，邮件客户端，shell，及所有依赖curses或readline的程序）均以原始模式运行，并自行处理所有的行编辑命令。行规范还包含字符回显和回车换行（译者注：\r\n 和 \n）间自动转换的选项。如果你喜欢，可以把它看作是一个原始的内核级sed(1)。

另外，内核提供了几种不同的行规范。一次只能将其中一个连接到给定的串行设备。行规范的默认规则称为N_TTY（drivers/char/n_tty.c，如果你想继续探索的话）。其他的规则被用于其他目的，例如管理数据包交换（ppp，IrDA，串行鼠标），但这不在本文的讨论范围之内。