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Linux驱动之tty子系统

深入linux源码探究！

1. TTY 子系统概述

在 Linux 内核中，TTY (Teletype) 子系统是 用户空间与字符设备交互的桥梁，它最早用于模拟电传打字机（Teletype），但如今主要用于 终端、串口、伪终端（PTY）等字符设备的管理。

TTY 子系统负责：

• 字符设备驱动（如串口、虚拟终端等）的管理。
• 终端 I/O 控制（如 stty 命令）。
• 行规处理（输入缓冲、回显、信号处理等）。
• 用户进程与设备的连接（如 bash 终端使用 /dev/tty）。

2. TTY 子系统架构

Linux TTY 子系统由 四层 组成：

1. 用户空间 (User Space)

• shell, minicom, cat /dev/ttyS0, ioctl()

2. TTY 核心层 (TTY Core Layer)

• tty_operations, tty_ldisc, tty_driver
• TTY 核心层包含线路规程

3. 线路规程 (Line Discipline)

• N_TTY (标准终端), N_SLIP, N_PPP

4. 低级驱动 (Low-level Drivers)

• 串口 (serial), 虚拟终端 (virtual tty), 伪终端 (pty)

（1）用户空间

用户进程可以通过 /dev/ttyX 访问 TTY 设备，常见的方式包括：

• 文件操作：open("/dev/ttyS0")、read/write。
• IOCTL 控制：如 tcsetattr() 设置波特率、设置线路规程等。
• 终端模拟器：如 minicom、screen、tmux。

（2）TTY 核心层

TTY 核心层提供 TTY 设备的抽象接口，包括：

• struct tty_driver：描述 TTY 设备的驱动信息。
• struct tty_operations：TTY 设备操作函数，如 open()、write()、read()。
• struct tty_port：管理 TTY 端口，包括缓冲区、引用计数。
• struct tty_ldisc：描述 ldisc线路规程（一般不增删、tty核心层已经做好不同线路规程的结构体实体）

（3）线路规程（Line Discipline）

1. TTY 设备的输入数据可以通过不同的 线路规程 进行处理，在 Linux 中，有多个常见的线路规程。最常用的有：

• N_TTY（默认）（TTY_LINE_DISC_TERMINAL）：标准的文本终端处理规程。用于普通的字符终端设备，比如虚拟终端（tty、ttyS 等）。它负责处理普通的字符回显、行编辑、字符映射等。

• N_PTY（TTY_LINE_DISC_PTY）：伪终端处理规程。用于创建伪终端设备（如 tty 或 pty），用于实现终端模拟（如终端仿真器）。N_PTY 允许一个进程模拟另一个进程的终端行为。

• N_SERIAL（TTY_LINE_DISC_SERIAL）：用于串口通信的线路规程。该规程处理与串口设备（如 8250 串口）之间的通信，包括流控制、数据转换等。

• N_UUCP：用于 UUCP（Unix-to-Unix Copy Protocol）通信的线路规程。它支持特定的通信协议，通常用于较早的拨号通信。

• N_SG：用于高性能串口设备的线路规程。

2. 一些常见的用于设置线路规划模式的 IOCTL 命令包括：

• TIOCSETD：设置 TTY 设备的线路规划。
• TIOCSERIAL：设置串口的相关属性（例如波特率、停止位等）。
• TCSETA、TCSETAW、TCSETAF 等：设置终端的 termios 配置。

3. 线路规程模式是在用户层指定tcsetattr() -> ioctl() -> 按照传递进来的CMD参数来创建不同的线路规程模式，并且添加到对应的tty_struct结构体中

（4）低级驱动

低级驱动负责具体设备的实现，包括：

• 串口驱动：drivers/tty/serial/，如 8250 驱动。
• 虚拟终端：drivers/tty/vt/，如 tty0、tty1。
• 伪终端（PTY）：drivers/tty/pty.c，用于 ssh、tmux 等。

3. TTY 关键数据结构

（1）TTY 驱动结构体 tty_driver

• tty_driver的**ttys、**ports、**cdevs都是在tty_alloc_driver函数中分配得的内存空间（分别是申请指向*tty_struct、*port、*cdev的数组，但是具体的port、tty_struct、cdev并没有在这里分配）

定义在 include/linux/tty_driver.h：

struct tty_driver {int	magic;		/* magic number for this structure */struct kref kref;	/* Reference management */struct cdev **cdevs;struct module	*owner;const char	*driver_name;const char	*name;int	name_base;	/* offset of printed name */int	major;		/* major device number */int	minor_start;	/* start of minor device number */unsigned int	num;	/* number of devices allocated */short	type;		/* type of tty driver */short	subtype;	/* subtype of tty driver */struct ktermios init_termios; /* Initial termios */unsigned long	flags;		/* tty driver flags */struct proc_dir_entry *proc_entry; /* /proc fs entry */struct tty_driver *other; /* only used for the PTY driver *//** Pointer to the tty data structures*/struct tty_struct **ttys;struct tty_port **ports;struct ktermios **termios;void *driver_state;    // 这个地方就是tty驱动层抽象底下不同设备的驱动的指针变量/** Driver methods*/const struct tty_operations *ops;struct list_head tty_drivers;
}

1. 作用：

• 注册 TTY 设备：使用 tty_register_driver()。
• 管理多个 TTY 端口：如 /dev/ttyS0, /dev/ttyS1。
• 存储具体设备的相关数据指针
  • void *driver_state;这个地方就是tty驱动层抽象底下不同设备的驱动的指针变量。
  • 比如在uart的驱动中就用driver_state这成员变量指向&uart_driver用来存储uart串口的信息，便于tty_operation中的操作集访问。
• 一个tty_driver会对应多个tty_port
• 在设备打开后，几乎操作的都是tty_struct来获取所有与进程和tty_port相关信息

2. uart具体设备的一些结构体

• struct uart_driver

struct uart_driver {struct module		*owner;const char		*driver_name;const char		*dev_name;int			 major;int			 minor;int			 nr; //串口数量struct console		*cons;struct uart_state	*state;struct tty_driver	*tty_driver;
};

• struct uart_state

struct uart_state {struct tty_port		port;enum uart_pm_state	pm_state;struct circ_buf		xmit;atomic_t		refcount;wait_queue_head_t	remove_wait;struct uart_port	*uart_port;
};

• struct uart_port

struct uart_port {...struct uart_state       *state; ...const struct uart_ops   *ops;...unsigned int            line;     /* port index */...
};

（2）TTY 设备操作 tty_operations

1. tty_operations是tty核心层暴露给具体设备操作集接口，注册申请tty设备需要实现tty_operations结构体中的函数集。

• 比如uart驱动中就实现了tty_operations操作集
• 如果需要注册一个tty设备就得实现tty_operations操作集

2. 定义
   定义在 include/linux/tty_driver.h：

struct tty_operations {int (*open)(struct tty_struct *tty, struct file *filp);void (*close)(struct tty_struct *tty, struct file *filp);int (*write)(struct tty_struct *tty, const unsigned char *buf, int count);...
};

3. 该tty_operations操作集的具体用到的地方在本文第4节《tty框架的write/read流程》中的图片中有标注。

4. 常见操作：

• open()：打开 TTY 设备。
• close()：关闭 TTY 设备。
• write()：写入数据到 TTY 设备。

（3）TTY 端口 tty_port

1. TTY 端口管理，如缓冲区、状态：

2. tty_port 需要手动分配和初始化，并且tty_port初始化后必须挂在到tty_driver的ports[i]中，或者挂在到tty_struct中的port字段，否则会引起crash the kernel，（在uart驱动中，已经将tty_port添加tty_struct中的port字段中了），

3. 或者在需要操作tty_port的地方能够正确找到创建的tty_port，比如在tty_operations的open中就需要 tty_port_open()来传入tty_port*

4. tty_port_install()中可以将tty_struct中的port字段和tty_port关联

5. 重要的是tty_struct中的port字段需要被填充struct port*，如下（在tty_init_dev()中）：

if (!tty->port)tty->port = driver->ports[idx];

struct tty_port {struct tty_bufhead	buf;		/* Locked internally */struct tty_struct	*tty;		/* Back pointer */struct tty_struct	*itty;		/* internal back ptr */const struct tty_port_operations *ops;	/* Port operations */const struct tty_port_client_operations *client_ops; /* Port client operations */spinlock_t		lock;		/* Lock protecting tty field */int			blocked_open;	/* Waiting to open */int			count;		/* Usage count */wait_queue_head_t	open_wait;	/* Open waiters */wait_queue_head_t	delta_msr_wait;	/* Modem status change */unsigned long		flags;		/* User TTY flags ASYNC_ */unsigned long		iflags;		/* Internal flags TTY_PORT_ */unsigned char		console:1,	/* port is a console */low_latency:1;	/* optional: tune for latency */struct mutex		mutex;		/* Locking */struct mutex		buf_mutex;	/* Buffer alloc lock */unsigned char		*xmit_buf;	/* Optional buffer */unsigned int		close_delay;	/* Close port delay */unsigned int		closing_wait;	/* Delay for output */int			drain_delay;	/* Set to zero if no pure timebased drain is needed elseset to size of fifo */struct kref		kref;		/* Ref counter */void 			*client_data;
};

（4）TTY 结构体 tty_struct

• tty_struct是整个tty子系统管理的核心结构体，负责将进程、tty_driver、tty_port联系起来。

• tty_struct由 TTY 核心在打开 TTY 设备时在tty_init_dev中自动创建tty_struct，并添加到tty_driver的*ttys[tty->index]中。

• tty_port->tty 并不会存储所有 tty_struct，它只是一个指针，指向最近一次成功打开的 tty_struct。

4. tty框架的write/read流程

上面的write/read是在linux源码一步一步跳转查看的。具体流程应该差不多。

5. 简单虚拟tty设备框架

• 这里的tty_port是直接创建初始化，并挂在在tty_driver->ports[i]中，并没有在其他install(tty_operations)的接口上把tty_port挂载到tty->port上。
• 也可以实现install接口来实现把tty_port挂载到tty->port上。

1. 代码说明：

• 这里代码会生成/dev/ttyPCIE0和/dev/ttyPCIE1设备。
• 向其中一个设备写入数据会写入到另一个设备中，可以从另一个设备读取。
• 可以用minicom工具打开测试
  • sudo minicom -D /dev/ttyPCIE0
  • sudo minicom -D /dev/ttyPCIE1

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/tty_driver.h>
#include <linux/tty_flip.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/vmalloc.h>
#include <linux/serial.h>
#include <linux/serial_core.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/mutex.h>#define TTY_MAJOR_AUTO 0
#define VIRTUAL_TTY_MINORS 2
#define DRIVER_NAME "gps_pcie_tty"static struct tty_driver *gps_pcie_tty_driver;
static struct tty_port *gps_pcie_tty_ports[VIRTUAL_TTY_MINORS] = {NULL, NULL};static const struct tty_port_operations gps_pcie_tty_port_ops = {};static int gps_pcie_tty_open(struct tty_struct *tty, struct file *filp)
{int port_num = tty->index;if (port_num >= VIRTUAL_TTY_MINORS)return -ENODEV;// 设置 tty->porttty->port = gps_pcie_tty_ports[port_num];// 打开端口return tty_port_open(tty->port, tty, filp);
}static void gps_pcie_tty_close(struct tty_struct *tty, struct file *filp)
{tty_port_close(tty->port, tty, filp);
}static int gps_pcie_tty_write(struct tty_struct *tty, const unsigned char *buf, int count)
{int port_num = tty->index;int other_port_num = (port_num == 0) ? 1 : 0;struct tty_port *other_port = gps_pcie_tty_ports[other_port_num];struct tty_struct *other_tty = tty_port_tty_get(other_port);// 另一个tty设备if (other_tty) {// 向上递交数据tty_insert_flip_string(other_port, buf, count);tty_flip_buffer_push(other_port);tty_kref_put(other_tty);}return count;
}static const struct tty_operations gps_pcie_tty_ops = {.open = gps_pcie_tty_open,.close = gps_pcie_tty_close,.write = gps_pcie_tty_write,
};static int __init gps_pcie_tty_init(void)
{int ret;int i;gps_pcie_tty_driver = tty_alloc_driver(VIRTUAL_TTY_MINORS, TTY_DRIVER_REAL_RAW);if (IS_ERR(gps_pcie_tty_driver))return PTR_ERR(gps_pcie_tty_driver);gps_pcie_tty_driver->owner = THIS_MODULE;gps_pcie_tty_driver->driver_name = DRIVER_NAME;gps_pcie_tty_driver->name = "ttyPCIE";gps_pcie_tty_driver->major = TTY_MAJOR_AUTO;gps_pcie_tty_driver->minor_start = 0;gps_pcie_tty_driver->type = TTY_DRIVER_TYPE_SERIAL;gps_pcie_tty_driver->subtype = SERIAL_TYPE_NORMAL;gps_pcie_tty_driver->init_termios = tty_std_termios;gps_pcie_tty_driver->init_termios.c_cflag = B9600 | CS8 | CREAD | HUPCL | CLOCAL;tty_set_operations(gps_pcie_tty_driver, &gps_pcie_tty_ops);for (i = 0; i < VIRTUAL_TTY_MINORS; i++) {gps_pcie_tty_ports[i] = kzalloc(sizeof(struct tty_port), GFP_KERNEL);if (!gps_pcie_tty_ports[i]) {ret = -ENOMEM;goto err_free_ports;}tty_port_init(gps_pcie_tty_ports[i]);gps_pcie_tty_ports[i]->ops = &gps_pcie_tty_port_ops;gps_pcie_tty_driver->ports[i] = gps_pcie_tty_ports[i];}ret = tty_register_driver(gps_pcie_tty_driver);if (ret) {goto err_free_ports;}pr_info("gps_pcie_tty loaded\n");return 0;err_free_ports:for (i = 0; i < VIRTUAL_TTY_MINORS; i++) {if (gps_pcie_tty_ports[i]){kfree(gps_pcie_tty_ports[i]);gps_pcie_tty_ports[i] = NULL;}}if(gps_pcie_tty_driver){tty_driver_kref_put(gps_pcie_tty_driver);}return ret;
}static void __exit gps_pcie_tty_exit(void)
{int i;tty_unregister_driver(gps_pcie_tty_driver);for (i = 0; i < VIRTUAL_TTY_MINORS; i++) {if (gps_pcie_tty_ports[i] != NULL){tty_port_tty_hangup(gps_pcie_tty_ports[i], false);tty_port_destroy(gps_pcie_tty_ports[i]);kfree(gps_pcie_tty_ports[i]);gps_pcie_tty_ports[i] = NULL;}}if(gps_pcie_tty_driver){tty_driver_kref_put(gps_pcie_tty_driver);}gps_pcie_tty_driver = NULL;pr_info("gps_pcie_tty driver unloaded\n");
}module_init(gps_pcie_tty_init);
module_exit(gps_pcie_tty_exit);MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("One Code");
MODULE_DESCRIPTION("One-Code PCIE TTY DRIVER");