设备模型之终端设备(tty)驱动架构分析.pdf

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1、Linux 设备模型之终端设备（tty）驱动架构分析*本文系本站原创,欢迎转载!转载请注明出处:http:/ 这里感谢：晓刚的分析和指点，及网上的所有串口资源*一：前言 一：前言 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.

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）二：终端设备驱动结构 二：终端设备驱动结构 1.Tty 架构如下所示Tty 架构如下所示：Tty_core:Tty_core:Tty 核心层 Line discipline:Line discipline:是线路规程的意思(链路层)。正如它的名字一样，它表示的是这条终端”线程”的输入与输出规范设置.主要用来进行输入/输出数据的预处理 Tty_driver:Tty_driver:Tty_driver就是终端对应的驱动了。它将字符转换成终端可以理解

3、的字串.将其传给终端设备。tty 设备发送数据的流程为：tty 设备发送数据的流程为：tty_core 从一个用户获得将要发送给一个 tty 设备的数据，tty_core 将数据传递给 Line discipline 处理，接着数据被传递到 tty_driver，tty 驱动将数据转换为可以发送给硬件的格式 tty 设备接受数据的流程为：tty 设备接受数据的流程为：从 tty 硬件接收到得数据向上交给 tty_driver，进入 Line discipline 处理，再进入tty_core，在这里它被一个用户获取 尽管大多数时候 tty_core 和 tty_driver 之间的数据传输会经

4、历 Line discipline 的转换，但是 tty_core 和 tty_driver 之间也可以直接传输数据 2.tty 主要源文件关系及数据流向：2.tty 主要源文件关系及数据流向：图二：tty 主要源文件关系及数据流向 上图显示了与 tty 相关的主要源文件及数据流向。tty_io.c：tty_io.c：tty_io.c 定义了 tty 设备通用的的 file_operation 结构体，并实现了接口函数 tty_register_driver()用于注册 tty 设备，它会利用 fs/char_dev.c 提供的接口函数注册字符设备。tty_io.c 也提供了 tty_regi

5、ster_ldisc()接口函数，用于注册线路规程。xxx_tty.cxxx_tty.c：与具体设备对应的 tty 驱动(xxx_tty.c)将实现 tty_driver 结构体中的成员函数。Ntty.cNtty.c：ntty.c 文件则实现了 tty_disc 结构体中的成员 特定 tty 设备的主体工作是填充 tty_driver 结构体中的成员，实现其中的成员函数，tty_driver 结构体的源码（linux/driver/char/tty_driver.h）如下：struct tty_driver int magic;/*magic number for this structure

6、*/struct cdev cdev;struct module*owner;const char*driver_name;const char*devfs_name;const char*name;int name_base;/*offset of printed name*/int major;/*major device number*/int minor_start;/*start of minor device number*/int minor_num;/*number of*possible*devices*/int num;/*number of devices allocat

7、ed*/short type;/*type of tty driver*/short subtype;/*subtype of tty driver*/struct termiostermios init_termios;/*Initial termios*/int flags;/*tty driver flags*/int refcount;/*for loadable tty drivers*/struct proc_dir_entry*proc_entry;/*/proc fs entry*/struct tty_driver*other;/*only used for the PTY

8、driver*/*Pointer to the tty data structures */struct tty_struct*ttys;struct termios*termios;struct termios*termios_locked;void*driver_state;/*only used for the PTY driver*/*Interface routines from the upper tty layer to the tty *driver.Will be replaced with struct tty_operations.*/int (*open)(struct

9、 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);void(*put_char)(struct tty_struct*tty,unsigned char ch);void(*flush_chars)(struct tty_struct*tty);int (*write_room)(struct tty_struct*tty);int

10、(*chars_in_buffer)(struct tty_struct*tty);int (*ioctl)(struct tty_struct*tty,struct file*file,unsigned int cmd,unsigned long arg);void(*set_termios)(struct tty_struct*tty,struct termios*old);void(*throttle)(struct tty_struct*tty);void(*unthrottle)(struct tty_struct*tty);void(*stop)(struct tty_struct

11、*tty);void(*start)(struct tty_struct*tty);void(*hangup)(struct tty_struct*tty);void(*break_ctl)(struct tty_struct*tty,int state);void(*flush_buffer)(struct tty_struct*tty);void(*set_ldisc)(struct tty_struct*tty);void(*wait_until_sent)(struct tty_struct*tty,int timeout);void(*send_xchar)(struct tty_s

12、truct*tty,char ch);int(*read_proc)(char*page,char*start,off_t off,int count,int*eof,void*data);int(*write_proc)(struct file*file,const char _user*buffer,unsigned long count,void*data);int(*tiocmget)(struct tty_struct*tty,struct file*file);int(*tiocmset)(struct tty_struct*tty,struct file*file,unsigne

13、d int set,unsigned int clear);struct list_head tty_drivers;三：tty 驱动接口分析 三：tty 驱动接口分析 1.分配 tty 驱动 1.分配 tty 驱动 tty driver 的所有操作都包含在tty_driver 中。内核即供了一个名叫alloc_tty_driver()来分配这个 tty_driver。当然我们也可以在自己的驱动中将它定义成一个静态的结构。对tty_driver 进行一些必要的初始化之后，调用 tty_register_driver()将其注册.alloc_tty_driver()接口代码（Linux/driv

14、er/char/tty_io.c）如下所示：struct tty_driver*alloc_tty_driver(int lines)struct tty_driver*driver;driver=kmalloc(sizeof(struct tty_driver),GFP_KERNEL);if(driver)memset(driver,0,sizeof(struct tty_driver);driver-magic=TTY_DRIVER_MAGIC;driver-num=lines;/*later well move allocation of tables here*/return driv

15、er;这个函数只有一个参数。这个参数的含义为 line 的个数。也即次设备号的个数。注意每个设备文件都会对应一个 line.在这个接口里为 tty_driver 分配内存，然后将 driver-magic 与 driver-num 初始化之后就 返 回 了.其 中 driver-magic 为 tty_driver 这 个 结 构 体 的“幻 数”，设 为TTY_DRIVER_MAGIC，在这里被初始化。2.注册 tty 驱动 2.注册 tty 驱动 在 这 里，tty_register_driver()用 来 注 册 一 个tty_driver,源 码 如 下（Linux/driver/ch

16、ar/tty_io.c）：int tty_register_driver(struct tty_driver*driver)int error;int i;dev_t dev;void*p=NULL;if(driver-flags&TTY_DRIVER_INSTALLED)return 0;/TTY_DRIVER_DEVPTS_MEM:使用 devpts 进行动态内存映射 if(!(driver-flags&TTY_DRIVER_DEVPTS_MEM)p=kmalloc(driver-num*3*sizeof(void*),GFP_KERNEL);if(!p)return-ENOMEM;mem

17、set(p,0,driver-num*3*sizeof(void*);/如果没有指定 driver-major,注册字符设备号 if(!driver-major)error=alloc_chrdev_region(&dev,driver-minor_start,driver-num,(char*)driver-name);if(!error)driver-major=MAJOR(dev);driver-minor_start=MINOR(dev);else dev=MKDEV(driver-major,driver-minor_start);error=register_chrdev_regi

18、on(dev,driver-num,(char*)driver-name);if(error ttys=(struct tty_struct*)p;driver-termios=(struct termios*)(p+driver-num);driver-termios_locked=(struct termios*)(p+driver-num*2);else driver-ttys=NULL;driver-termios=NULL;driver-termios_locked=NULL;/注册字符设备 cdev_init(&driver-cdev,&tty_fops);driver-cdev.

19、owner=driver-owner;error=cdev_add(&driver-cdev,dev,driver-num);if(error)cdev_del(&driver-cdev);unregister_chrdev_region(dev,driver-num);driver-ttys=NULL;driver-termios=driver-termios_locked=NULL;kfree(p);return error;/指定默认的 put_char if(!driver-put_char)driver-put_char=tty_default_put_char;list_add(&

20、driver-tty_drivers,&tty_drivers);/如果没有指定 TTY_DRIVER_DYNAMIC_DEV.即动态设备管理 if(!(driver-flags&TTY_DRIVER_NO_DEVFS)for(i=0;i num;i+)tty_register_device(driver,i,NULL);proc_tty_register_driver(driver);return 0;注册 tty 驱动成功时返回 0；参数为由 alloc_tty_driver()分配的 tty_driver 结构体指针。这个函数操作比较简单。就是为 tty_driver 创建字符设备。然后

21、将字符设备的操作集指定为 tty_fops.并且将 tty_driver 挂载到 tty_drivers 链表中。以设备号为关键字找到对应的 driver.四：设备文件的打开操作 四：设备文件的打开操作 1.打开 tty 设备的操作 1.打开 tty 设备的操作 在下面得程序里，我们会遇到 tty_struct 结构体，tty_struct 结构体被 tty 核心用来保存当前 tty 端口的状态，它的大多数成员只被 tty 核心使用。从注册的过程可以看到，所有的操作都会对应到 tty_fops 中。Open 操作对应的操作接口是tty_open()。代码如下（linux/drivers/cha

22、r/tty_io.c）：static int tty_open(struct inode*inode,struct file*filp)struct tty_struct*tty;int noctty,retval;struct tty_driver*driver;int index;dev_t device=inode-i_rdev;unsigned short saved_flags=filp-f_flags;nonseekable_open(inode,filp);retry_open:/*O_NOCTTY 如果路径名指向终端设备，不要把这个设备用作控制端 noctty:需不需要更改当前

23、进程的控制终端*/noctty=filp-f_flags&O_NOCTTY;index =-1;retval=0;/*O_NOCTTY 如果路径名指向终端设备，不要把这个设备用作控制终端*/down(&tty_sem);/设备号(5,0)即/dev/tty.表示当前进程的控制终端 if(device=MKDEV(TTYAUX_MAJOR,0)if(!current-signal-tty)/如果当前进程的控制终端不存在,退出 up(&tty_sem);return-ENXIO;/取得当前进程的 tty_driver driver=current-signal-tty-driver;index=c

24、urrent-signal-tty-index;filp-f_flags|=O_NONBLOCK;/*Dont let/dev/tty block*/*noctty=1;*/goto got_driver;#ifdef CONFIG_VT/打开的设备节点是否是当前的控制终断/dev/ttys0/(4,0)if(device=MKDEV(TTY_MAJOR,0)extern struct tty_driver*console_driver;driver=console_driver;/fg_console:表示当前的控制台 index=fg_console;noctty=0;goto got_d

25、river;#endif/设备号(5,1).即/dev/console.表示外接的控制台.通过 regesit_console()if(device=MKDEV(TTYAUX_MAJOR,1)driver=console_device(&index);if(driver)/*Dont let/dev/console block*/filp-f_flags|=O_NONBLOCK;noctty=0;goto got_driver;up(&tty_sem);return-ENODEV;/index 就是文件的设备号/以文件的设备号为关键字,到 tty_drivers 中搜索所注册的 driver

26、driver=get_tty_driver(device,&index);if(!driver)up(&tty_sem);return-ENODEV;got_driver:retval=init_dev(driver,index,&tty);up(&tty_sem);if(retval)return retval;filp-private_data=tty;file_move(filp,&tty-tty_files);/*这儿我们来看一下 file_move 函数，*void file_move(struct file*file,struct list_head*list)/(linux/fs

27、.h)*if(!list)*return;*file_list_lock();*list_move(&file-f_u.fu_list,list);*file_list_unlock();*其中调用了 list_move()；*static inline void list_move(struct list_head*list,struct list_head*head)*_list_del(list-prev,list-next);*list_add(list,head);*_list_del()*在了解数据结构的基础上，_list_del()很好理解，通过*next-prev=prev;*

28、prev-next=next;*来删除链表中的一个节点，其中 prev 和 next 是节点的 2 个指针，分别指向链表中的上一个*节点和下一个节点。*还调用了_list_add();*下面继续看一下_list_add(struct list_head*new,struct list_head*prev,Struct list_head*next)*是如何实现的*next-prev=new;*new-next=next;*new-prev=prev;*prev-next=new;*通过上面的代码来将节点 new 加入到节点 prev 和 next 中间*那么 file_move 的作用就是将

29、file 结构体中的一些成员拷贝到 tty-tty_file 中去*/*下面来看一下 check_tty_count();主要是查看一下 tty_file 链表中成员数*/check_tty_count(tty,tty_open);if(tty-driver-type=TTY_DRIVER_TYPE_PTY&tty-driver-subtype=PTY_TYPE_MASTER)noctty=0;#ifdef TTY_DEBUG_HANGUP printk(KERN_DEBUG opening%s.,tty-name);#endif if(!retval)if(tty-driver-open)/

30、*tty 核心调用 tty 驱动的 open 回调函数*/retval=tty-driver-open(tty,filp);else retval=-ENODEV;filp-f_flags=saved_flags;/test_bit(n,addr)用于检测地址中数据的某一位是否为 1 if(!retval&test_bit(TTY_EXCLUSIVE,&tty-flags)&!capable(CAP_SYS_ADMIN)retval=-EBUSY;/Capable()检测进程的能力用户违反 LIDS 定义的规则的时候报警 if(retval)#ifdef TTY_DEBUG_HANGUP pr

31、intk(KERN_DEBUG error%d in opening%s.,retval,tty-name);#endif release_dev(filp);if(retval!=-ERESTARTSYS)return retval;if(signal_pending(current)return retval;/signal_pending(current)检查当前进程是否有信号处理，返回不为0表示有信号需要处理,这儿如果有信号需要处理，函数返回。schedule();/选定下一个进程并切换到它去执行是通过 schedule()函数实现的。/*Need to reset f_op in c

32、ase a hangup happened.*/if(filp-f_op=&hung_up_tty_fops)filp-f_op=&tty_fops;goto retry_open;if(!noctty¤t-signal-leader&!current-signal-tty&tty-session=0)task_lock(current);current-signal-tty=tty;task_unlock(current);current-signal-tty_old_pgrp=0;tty-session=current-signal-session;tty-pgrp=proce

33、ss_group(current);return 0;上面的过程中我们漏掉了 init_dev 函数，下面我们继续解析一下：static int init_dev(struct tty_driver*driver,int idx,struct tty_struct*ret_tty)struct tty_struct*tty,*o_tty;struct termios*tp,*tp_loc,*o_tp,*o_tp_loc;struct termios*ltp,*ltp_loc,*o_ltp,*o_ltp_loc;int retval=0;/*check whether were reopenin

34、g an existing tty*/if(driver-flags&TTY_DRIVER_DEVPTS_MEM)tty=devpts_get_tty(idx);if(tty&driver-subtype=PTY_TYPE_MASTER)tty=tty-link;else tty=driver-ttysidx;if(tty)goto fast_track;/*First time open is complex,especially for PTY devices.*This code guarantees that either everything succeeds and the *TT

35、Y is ready for operation,or else the table slots are vacated *and the allocated memory released.(Except that the termios *and locked termios may be retained.)*/*try_module_get()-如果模块已经插入内核，则递增该模块引用计数；如果该模块还没有插入内核，则返回 0 表示出错。Driver-owner 是指这个驱动模块的拥有者*/if(!try_module_get(driver-owner)retval=-ENODEV;go

36、to end_init;/如果模块没有加入内核，那么退出 o_tty=NULL;tp=o_tp=NULL;ltp=o_ltp=NULL;tty=alloc_tty_struct();/分配结构体空间 if(!tty)goto fail_no_mem;initialize_tty_struct(tty);/初始化结构体中的各成员变量 tty-driver=driver;tty-index=idx;tty_line_name(driver,idx,tty-name);/打印一些提示信息/*我们知道伪终端(pty)也属于终端设备的一种 *TTY_DRIVER_DEVPTS_MEM-dont use

37、the standard arrays,instead *use dynamic memory keyed through the devpts filesystem.This *is only applicable to the pty driver.所以下面是对于伪终端的一些初始化设置？看下面的设置应该是关于控制台终端的初始化*/if(driver-flags&TTY_DRIVER_DEVPTS_MEM)tp_loc=&tty-termios;ltp_loc=&tty-termios_locked;else tp_loc=&driver-termiosidx;/根据索引号到数组中查找对应的

38、 termios 结构体 ltp_loc=&driver-termios_lockedidx;/如果没有查找到对应的 termios 结构体，那么我们就手动分配一个 if(!*tp_loc)tp=(struct termios*)kmalloc(sizeof(struct termios),GFP_KERNEL);if(!tp)goto free_mem_out;*tp=driver-init_termios;/用统一的 init_termios 结构体来初始化它 if(!*ltp_loc)/同上 ltp=(struct termios*)kmalloc(sizeof(struct termi

39、os),GFP_KERNEL);if(!ltp)goto free_mem_out;memset(ltp,0,sizeof(struct termios);if(driver-type=TTY_DRIVER_TYPE_PTY)o_tty=alloc_tty_struct();if(!o_tty)goto free_mem_out;initialize_tty_struct(o_tty);/*如果是 PTY，那么 o_tty-driver=driver-other;查看 tty_driver 中对于 other 的定义*/o_tty-driver=driver-other;o_tty-index

40、=idx;tty_line_name(driver-other,idx,o_tty-name);/打印一些提示信息 if(driver-flags&TTY_DRIVER_DEVPTS_MEM)o_tp_loc=&o_tty-termios;o_ltp_loc=&o_tty-termios_locked;else o_tp_loc=&driver-other-termiosidx;o_ltp_loc=&driver-other-termios_lockedidx;if(!*o_tp_loc)/如果 o_tp_loc=&o_tty-termios 不存在，那么我们分配一个 termios结构体 o

41、_tp=(struct termios*)kmalloc(sizeof(struct termios),GFP_KERNEL);if(!o_tp)goto free_mem_out;*o_tp=driver-other-init_termios;if(!*o_ltp_loc)o_ltp=(struct termios*)kmalloc(sizeof(struct termios),GFP_KERNEL);if(!o_ltp)goto free_mem_out;memset(o_ltp,0,sizeof(struct termios);/*Everything allocated.set up

42、the o_tty structure.*/if(!(driver-other-flags&TTY_DRIVER_DEVPTS_MEM)driver-other-ttysidx=o_tty;/将我们初始化的的伪终端的 tty_struct 结构体添加到数组中去 if(!*o_tp_loc)/如果 o_tp_loc 还是不存在，那么我用 o_tp 来初始化 o_tp_loc，不过为什么会不存在呢？上面已经很系统的处理的一次 *o_tp_loc=o_tp;if(!*o_ltp_loc)*o_ltp_loc=o_ltp;o_tty-termios=*o_tp_loc;o_tty-termios_lo

43、cked=*o_ltp_loc;driver-other-refcount+;if(driver-subtype=PTY_TYPE_MASTER)o_tty-count+;/*Establish the links in both directions*/tty-link =o_tty;o_tty-link=tty;/*All structures have been allocated,so now we install them.*Failures after this point use release_mem to clean up,so *theres no need to null

44、 out the local pointers.*/if(!(driver-flags&TTY_DRIVER_DEVPTS_MEM)driver-ttysidx=tty;if(!*tp_loc)*tp_loc=tp;if(!*ltp_loc)*ltp_loc=ltp;tty-termios=*tp_loc;tty-termios_locked=*ltp_loc;driver-refcount+;tty-count+;/*Structures all installed.call the ldisc open routines.*If we fail here just call release

45、_mem to clean up.No need *to decrement the use counts,as release_mem doesnt care.*/if(tty-ldisc.open)/如果函数指针 tty_ldisc.open 存在，调用之/线路规程的定义处于/linux/dirver/char/n_tty.c 中 retval=(tty-ldisc.open)(tty);if(retval)goto release_mem_out;if(o_tty&o_tty-ldisc.open)retval=(o_tty-ldisc.open)(o_tty);if(retval)if

46、(tty-ldisc.close)(tty-ldisc.close)(tty);goto release_mem_out;tty_ldisc_enable(o_tty);/*static void tty_ldisc_enable(struct tty_struct*tty)set_bit(TTY_LDISC,&tty-flags);如果线路规程已经附加上去，那么唤醒队列 wake_up(&tty_ldisc_wait);*/tty_ldisc_enable(tty);goto success;/*This fast open can be used if the tty is already

47、 open.*No memory is allocated,and the only failures are from *attempting to open a closing tty or attempting multiple *opens on a pty master.*/fast_track:if(test_bit(TTY_CLOSING,&tty-flags)retval=-EIO;goto end_init;if(driver-type=TTY_DRIVER_TYPE_PTY&driver-subtype=PTY_TYPE_MASTER)/*special case for

48、PTY masters:only one open permitted,*and the slave side open count is incremented as well.*/if(tty-count)retval=-EIO;goto end_init;tty-link-count+;tty-count+;tty-driver=driver;/*N.B.why do this every time?*/*FIXME*/if(!test_bit(TTY_LDISC,&tty-flags)printk(KERN_ERR init_dev but no ldiscn);success:*re

49、t_tty=tty;/*All paths come through here to release the semaphore*/end_init:return retval;/*Release locally allocated memory.nothing placed in slots*/free_mem_out:kfree(o_tp);if(o_tty)free_tty_struct(o_tty);kfree(ltp);kfree(tp);free_tty_struct(tty);fail_no_mem:module_put(driver-owner);retval=-ENOMEM;

50、goto end_init;/*call the tty release_mem routine to clean out this slot*/release_mem_out:printk(KERN_INFO init_dev:ldisc open failed,clearing slot%dn,idx);release_mem(tty,idx);goto end_init;上面关于的上面关于的 init_dev()的大体函数调用关系如下：的大体函数调用关系如下：Init_dev()-initialize_tty_struct()-tty_ldisc_assign(tty,tty_ldisc