Linux 设备模型之终端设备（tty）驱动架构分析

终端设备 在 Linux 系统中，终端是一种字符型设备，它有多种类型，通常使用 tty 来简称各种类型的 终端设备。tty 是 Teletype 的缩写，Teletype 是最早出现的一种终端设备，很像电传打字 机，是由 Teletype 公司生产的。Linux中包含如下几类终端设备： 1.串行端口终端（/dev/ttySn） 串行端口终端（Serial Port Terminal）是使用计算机串行端口连接的终端设备。 2.伪终端（/dev/pty/） 伪终端（Pseudo Terminal）是成对的逻辑终端设备 3.控制台终端（/dev/ttyn, /dev/console） ### Linux 设备模型之终端设备（tty）驱动架构分析 #### 一、前言 在 Linux 系统中，终端设备是一种重要的字符型设备，它主要用于用户与系统的交互。随着技术的发展，终端设备的种类逐渐增多，为了方便管理和操作，通常使用“tty”来统称这些设备。“tty”是“Teletype”的缩写，最初指的是由 Teletype 公司生产的电传打字机。随着时间的推移，“tty”已经演变成泛指任何类型的终端设备。 Linux 中的终端设备主要包括以下几类： 1. **串行端口终端**（`/dev/ttySn`）：这类终端通过计算机的串行端口进行连接，例如早期的调制解调器和现代的一些串口通信设备。 2. **伪终端**（`/dev/pty/`）：伪终端是一对逻辑终端设备，通常用于模拟远程登录等场景，如 SSH 连接时所使用的终端。 3. **控制台终端**（`/dev/ttyn`, `/dev/console`）：控制台终端是系统启动时默认使用的终端，通常是物理连接到计算机的显示器和键盘。 #### 二、终端设备驱动结构 ##### 2.1 TTY 架构概览 TTY 设备的核心组件包括 TTY 核心层、线路规程（Line Discipline）以及 TTY 驱动。它们之间的交互如下： - **TTY 核心层**（Tty_core）：负责协调各个组成部分之间的数据流动，确保数据能够正确地在各个层次之间传递。 - **线路规程**（Line Discipline）：主要负责处理数据的预处理工作，比如对输入输出数据进行必要的格式化处理，确保数据符合终端设备的要求。 - **TTY 驱动**（Tty_driver）：用于实现具体的硬件操作，如数据的读写等。TTY 驱动需要根据硬件特性将数据转换成硬件可识别的格式。 ##### 2.2 数据传输流程 - **发送数据流程**： - 用户程序将要发送的数据传递给 TTY 核心层。 - TTY 核心层将数据交给线路规程处理。 - 经过线路规程处理后的数据被传递给 TTY 驱动。 - TTY 驱动将数据转换为硬件可识别的格式并发送出去。 - **接收数据流程**： - 从硬件接收到的数据首先传递给 TTY 驱动。 - TTY 驱动处理后将数据交给线路规程处理。 - 处理后的数据最终被 TTY 核心层接收并提供给用户程序使用。 值得注意的是，在某些情况下，TTY 核心层与 TTY 驱动之间可以直接传输数据，绕过线路规程这一环节。 ##### 2.3 主要源文件关系及数据流向 - **tty_io.c**：定义了 TTY 设备通用的 file_operation 结构体，并实现了用于注册 TTY 设备的接口函数 `tty_register_driver()`。此外，该文件还提供了用于注册线路规程的接口函数 `tty_register_ldisc()`。 - **xxx_tty.c**：针对特定设备的 TTY 驱动文件，例如串行端口终端或伪终端的驱动。这些文件主要负责实现 TTY_driver 结构体中的成员函数。 - **ntty.c**：实现了 TTY_disc 结构体，该结构体包含了与特定 TTY 设备相关的功能。 ##### 2.4 TTY_driver 结构体解析 TTY_driver 结构体定义了终端驱动的基本属性和功能，是实现 TTY 设备的关键。该结构体的定义如下： ```c struct tty_driver { int magic; /* 该结构体的魔法数字 */ struct cdev cdev; /* 字符设备的 CDEV 结构 */ struct module *owner; /* 所属模块 */ const char *driver_name; /* 驱动名称 */ const char *devfs_name; /* 设备文件系统名称 */ const char *name; /* 设备名称 */ int name_base; /* 命名基础 */ int major; /* 主设备号 */ int minor_start; /* 次设备号起始值 */ int minor_num; /* 可能的最大次设备号数量 */ int num; /* 已分配的次设备号数量 */ short type; /* 驱动类型 */ short subtype; /* 驱动子类型 */ struct termios init_termios; /* 初始化 termios 设置 */ int flags; /* 驱动标志 */ int refcount; /* 引用计数 */ struct proc_dir_entry *proc_entry; /* /proc 文件系统条目 */ struct tty_driver *other; /* 仅用于 PTY 驱动 */ /* 更多成员... */ }; ``` 这个结构体定义了诸如驱动名称、主次设备号等基本信息，并提供了各种用于初始化、配置和管理终端设备的功能函数指针。通过对这个结构体的实例化和注册，可以实现不同类型的终端设备的驱动支持。 总结来说，Linux 中的终端设备驱动架构设计得非常灵活且高效，它不仅支持多种类型的终端设备，还能根据不同应用场景的需求提供相应的功能和服务。通过深入理解 TTY 架构及其核心组件的工作原理，开发者可以更好地开发出满足特定需求的终端应用程序和驱动程序。