TTY设备处理概论

    既灵活而又功能强大的tty设备处理，由几个部分组成。你必须考虑到存在很多tty设备，从依赖于字符控制台的VGA以及祯缓存到串行通讯通道和虚拟终端，都作为符合这些条件的典型应用（当然还不仅仅局限于这些）。

    图一，展示了涉及串行设备驱动的各种不同的模块。大部分文件位于driver/char中，要不是这样，这个目录通常位于根目录下的内核源码树中。这张图展示了每个新建的模块怎样注册上去。（注册是为了允许每个程序块能想内核模块一样被调用）。

fs/device.c所输出的接口被大多数系统资源用来注册设备驱动被每一个主设备号所标识。这就是tty_register_driver怎样分配一个主设备号的，如果需要支持新的tty驱动的话。（一个目标设备将在下面介绍到）。这个功能被tty_io.c定义，tty_io.c同样也定义作用在tty设备上的文件操作。文件操作就是一些驱动特有的读，写操作和其他系统调用相关的文件接口。

  像serial.c或是其他串口驱动程序要运行它们的代码，是通过注册tty_driver结构来完成的。这个“驱动”声明了主设备号和一系列需要用到的次设备号，以及一连串它支持的操作。这些操作包括数据的输入和输出，数据流控制以及与高层间的通讯。执行这些操作以及中断处理和实际的数据输入输出都是串口硬件驱动的范围。

  数据传输在用户空间和串行设备的驱动之间，被tty层来协调，它所执行的功能被所有tty类型的设备所共有。因此并非所有的tty处理都定义在tty_io.c中，大多数策略被定义在线路处理中，一个软件模块会告知怎样使用一个物理上的tty I/O线。这个Linux默认的管线设置叫做N_TTY,这个名字将呆会解释。如果n_tty被激活，输入的数据会通过/dev/interface以及标准的I/O终端操作到达用户空间。（也就是说，所有的特性都定义在<termios.h>中，它使得终端处理变得如此强大和同时也变得困难）

图1中的红线展示了合理的数据流向，通过硬件通道到用户可以访问的设备专用文件再返回。是什么把这些联系起来呢，答案时tty数据项。在它里面包含有一个指向三个相应模块的指针：文件操作结构——用于和用户空间通讯；tty_driver结构——主要功能是控制真实的硬件；以及tty_ldisc结构——它列出了所有的当前线路设置的入口。

为什么这么复杂？

当然这种安排看起来超级复杂，然而像往常一样，这些特有的复杂性意味着将会使驱动变得更富有弹性和功能更强大。增加对新的串行设备的支持或许有点不同与写一个传统的字符设备。但是这样的设置确保了完全的tty在所有串行端口上的效法，而避免了任何代码的拷贝或是在底层驱动上添加不需要的复杂性。

  另一个这种安排的优点是，很可能比其他通用的tty设备支持更重要的是，它有能力改变联系到每个tty设备的线路设置。不像典型的设备驱动程序，它们的任务仅仅是连接硬件设备和用户空间，一个串行驱动程序与用户空间毫无关联，数据从硬件接收后通过设置的线路传递。从软件接收的数据也是通过线路设置的方法。

  因此，一个串行设备驱动并不以任何方式关联到从用户空间传入或是传出到用户空间的数据。这个任务由线路设置同粗略的termios操作共同承担。这使得串行数据有可能直接被引向的通过不同设备的用户空间，而非关联到ttyS设备专用的文件。

PPP协议以及SLIP（串行线路接口协议）

无论何时你用你的调制解调器通过ppp协议连接到因特网，或是用更简单的slip通讯协议把你的Linux掌上电脑和PC连接起来，你正使用着正在展示的复杂的事物。Ppp和slip都执行它们自己的线路；当它们其中的一个在运行时，tty设备会切换到不同的设置线路，目的是把/dev/ttyS0从串口中区分出来并保证所有的串行通讯在内核中运行。

图2 展示了在使用slip情况下时概念上的规划。没有选择ppp作为例子是为了避免额外的复杂性和不正确的简化。在2.4版本的Linux内核中，ppp软件程序执行被分割为几个文件（再一次的，更多的结构意味着更强大的功能，避免了在类似设备中代码的重复）。这两种协议以同样的构架执行着不同行为。

Slip驱动所扮演的角色，如图所示，同样也被注册为一个网络设备（表述为slip0和在tty设备上的线路设置（称为N_SLIP））。当tty设备被切换到新设置的线路上时，TCP/IP通信开始了。新设置的线路建立串行设备硬件和网络层之间的数据传输。当线路设置被激活时，就不能再从/dev/ttyS设备上读取或写入任何数据了。一旦这个设备被关闭（/dev/ttyS0或类似设备），默认的线路设置被重新载入。实际上，这就是为什么slattach或是pppd在设置了网络通道之后还能退出的主要原因。

数据结构

     有三种主要的数据结构涉及到tty设备的处理（也即，串行设备的通信）：

     Struct tty_struct：这个数据结构体涉及tty处理的核心。它包括如下构造。一个tty_struct的例子是每当新的tty设备被打开始它就会被建立，并且一直存在直到该设备关闭。注意源码（在tty_io.c中）变得更加复杂，由于在打开或是关闭它时必须保留termios设置，至少在一些tty设备中是这样（例如串口）。

     Struct tty_driver：这是一个底层的硬件处理操作。在tty设备被打开的时候，get_tty_driver函数为当前的tty设备重新获得一个驱动而深入到tty_struct的驱动领域中去，这里是更进一步的访问。

struct tty_driver {

           /* the driver states which range of devices it supports */

           short major;         /* major device number */

           short minor_start;   /* start of minor device number*/

           short   num;         /* number of devices */

           /* and has its own operations */

           int  (*open)();

           void (*close)();

           int  (*write)();

           int  (*ioctl)();  /* device-specific control */

           /* return information on buffer state */

           int  (*write_room)();      /* how much can be written */

           int  (*chars_in_buffer)(); /* how much is there to read */

           /* flow control, input and output */

           void (*throttle)();

           void (*unthrottle)();

           void (*stop)();

           void (*start)();

           /* and callbacks for /proc/tty/driver/ */

           int (*read_proc)();

           int (*write_proc)();

       };

Struct tty_ldisc：这个结构体参考于tty_struct的ldisc领域。打开设备的时候，这个结构体参照n_tty被初始化；应用程序能通过ioctl来改变线路设置，一会将解释。

struct tty_ldisc {

         /* routines called from above */

         int     (*open)();

         void    (*close)();

         ssize_t (*read)();

         ssize_t (*write)();

         int     (*ioctl)();

         /* routines called from below */

         void    (*receive_buf)();

         int     (*receive_room)();

         void    (*write_wakeup)();

     };

这些结构体被声明在三个不同的文件中：tty_struct是一个定义在include/linux/tty.h中的复杂结构，这是一个专门定义tty项的头文件。事实上，我们没兴趣关注另外两个，因为用户模块及少直接接触到它们。

Include/linux/tty_driver.h和include/linux/tty_ldisc.h中主要是其它相关数据结构的定义。这些文件中有很精彩的注释解释它们在这个领域中所扮演的角色。不像tty_struct，tty_driver和tty_ldisc被设备驱动模块的程序所激活。

典型的，一个内核模块支持一种新的应用tty_driver结构体的硬件，当一个模块使用通用的串口硬件来重新设置线路时。比如，如果你有一个键盘通过标准的RS-232串口传输数据，你需要重新设置线路来获取数据包并且通过输入机制来发送它们（参见drivers/input/input.c和include/linux/input.h），或是通过通用键盘驱动（使用 handle_scancode(),输出通过drivers/char/keyboard.c）。

列表一展示了结构体tty_driver中最重要的操作声明，列表二详述了通过线路设置的输出。注意这些列表并非完整的，如果要查阅权威可靠的信息，你应该阅读相关的头文件。

数据流在读操作和写操作中

图3 模拟数据流怎样从用户空间到硬件接口再返回的。它把具体的标准PC串口和默认的线路设置联系起来。逻辑上的线路设置栈（用户空间附近）和tty驱动（在硬件附近）应该是明显可区分的。

当直接写入数据时，读进程需要一些说明。读操作比写操作更复杂是因为没有直接的联系在硬件接口（在数据到达时发送它）与用户空间（在需要时请求获得数据）。解决方法是，正如你所见，使用缓存：数据接收通过硬件接口保持在内核中的缓存里，直到用户空间的程序提出数据请求。无论何时，只要用户程序请求数据，这个缓存就被清空，用户程序开始睡眠，直到缓存有新的数据填入时才被唤醒。注意，写操作的缓存依然存在，然而写操作的执行更直接，因为面向硬件的每一步都直接被图3中的驱动所描述出来了。存在可变的延时在数据传输的过程中，这个缓存仅仅是用来减弱从用户数据流到硬件接口的传输速度。在图上，没有展示这一过程是为了简化。

当tty设备驱动被关注时，读缓存取决于已有的tty数据结构;然而这使得tty_struct结构体更庞大，数据则在结构体中等待被线路设置传输出去。（也就是说，在默认的状态下，被传输到用户空间），一个“flip”缓存被硬件程序用来尽可能快的储存收到的数据，却并不需要同步的并发访问：flip缓存是硬件设备独有的，它最终调用tty_flip_buffer_push来传递数据到tty缓存，然后线路设置再把它从这里发送出去。

很有趣的是flip缓存被看作两个物理缓存然后选择其中的一个写入数据。它允许更多被信赖的操作，向中断处理程序中总是有一个可写入的缓存。函数flush_to_ldisc，被底层驱动和部分tty层所调用（tty_io.c），用作被flip缓存所弹出，在中断程序返回前。顺便说一下，这种设计方案就是为什么flip缓存叫弹出缓存的原因。

怎样使用自定义的线路设置

内核代码，正如所陈述的，可以注册一个新的线路设置通过tty子系统，这也可通过模块化源码来注册。因此，你可以编写你自己的线路设置并注册它。每个线路设置被一个设备号所区分，也可以其一个名字在C语言编程中。通过include/asm/termios.h来给它分配设备号以及命名。

默认的tty线路设置被许多的N_TTY结构所区分，PPP使用N_PPP等等。不幸的是，并没有线路设置标号被保留为当前已经使用过，所以你只能自己尝试出那些没有被系统使用的标号。实际上，没有官方的驱动现在使用过N_MOUSE，所以它是一个很好的自定义线路设置的标号。

为了激活N_MOUSE线路设置，用户空间的程序应该使用如下的源码：

#include

    int i = N_MOUSE;

ioctl(fd, TIOCSETD, &i);

register_serial所扮演的角色

如果你注意到driver/char/serial.c输出一个函数叫做register_serial，你或许会想要知道它会在这个tty体系结构中的要点。事实上，他只起一个孵化标准的串行tty设备驱动，为了方便标准串口的添加。串行设备并不是做为一个完整的软件模块被注册，相反，只是定义一些新串口用到的参数，这些参数被serial_struct结构体所描述，它依次被定义在include/linux/serial.h中；它们像传统的串口驱动一样被使用，衍生出标准的PC串口。你不能使用这个函数来注册16450或与之类似的串口以外的任何串行设备硬件。支持PC平台的列表可以从uart_config中找到排列，在serial.c中。其他系统上的平台为register_serial提供不同的执行。

串行设备控制台

串口也能像控制台设备一样使用，这种功能区别开了其他的tty处理。

实际上，控制台设备在Linux系统得最底层，因为他必须尽可能快的输出操作系统的调试信息。它不能涉及所有复杂的tty处理。但是在2.4版本的控制台处理中，它已经自成一个体系，有自己的数据结构和函数，这是它非常的灵活也更值得信赖。我将会在下期专栏中提到这个体系。

谢谢观赏！

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阿拉赛得隆（Alessandro）是一个意大利的自由顾问。尽管他声称自己是一个程序员，他的工作去主要集中在自由软件以及为真正的程序员编写文档。他在自己的计算机上使用GNU操作系统，因此你可以通过rubini@gnu.org联系他。