UART驱动学习二（TTY体系）

一、TTY体系中设备节点的差别
- 1. 傻傻分不清 /dev/tty*
- 2. 要讲历史了
- - 2.1 电传机teletype
  - 2.2 计算机需要控制
  - - 2.2.1 使用teletype
    - 2.2.2 teletype被淘汰了
    - 2.2.3 个人电脑和虚拟终端
- 3. tty相关设备节点
- - 3.1 各类设备节点的差别
  - 3.2 /dev/ttyN(N=1,2,3,..., 63)
  - 3.3 /dev/tty0
  - 3.4 /dev/tty
  - 3.5 串口终端ttyS*
  - 3.6 伪终端
  - 3.7 Terminal和Console的差别
  - 3.8 /dev/console
二、TTY驱动框架
- 1. 行规程的引入
- 2. TTY驱动程序框架（kernel/drivers/tty）
- - 2.1 核心文件
  - 2.2 `hvc` 目录
  - 2.3 `ipwireless` 目录
  - 2.4 `serdev` 目录
  - 2.5 `serial` 目录
  - 2.6 `vt` 目录
三、参考资料（==必读==）

一、TTY体系中设备节点的差别

1. 傻傻分不清 /dev/tty*

/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
/dev/console	控制台，又内核的cmdline参数确定

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

2. 要讲历史了

2.1 电传机teletype

teletype电传打字机，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：
在这里插入图片描述

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

2.2 计算机需要控制

2.2.1 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。

如果把两台teletype的其中一台，替换为计算机，不就更方便了吗？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。
在这里插入图片描述
teletype是通过串口(UART)跟计算机相连的：

那时计算机很贵，发展出多用户系统，多个用户可以分时使用计算机，降低成本：

2.2.2 teletype被淘汰了

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

2.2.3 个人电脑和虚拟终端

上图长得像电脑，但是它只是一个终端，它要连接到计算机才能工作。这才是电脑：计算单元(CPU、硬盘、内存等等)、终端(键盘、显示器)都齐全了：
在这里插入图片描述
终端硬件上只有一套键盘、显示器。但是在Linux系统中，我们可以打开多个命令行程序(也叫terminal、shell)，每个程序都对应一个"虚拟终端"。

3. tty相关设备节点

3.1 各类设备节点的差别

由于历史原因，下图中两条红线之内的代码被称为TTY子系统。它既支持UART，也支持键盘、显示器，还支持更复杂的功能(比如伪终端)。
在这里插入图片描述

3.2 /dev/ttyN(N=1,2,3,…, 63)

/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

在Linux中，/dev/ttyN代表的都是上述的物理终端，其中，/dev/tty1~/dev/tty63代表的是本地终端，也就是接到本机的键盘显示器可以操作的终端。换句话说，你往/dev/tty3里写个东西，它就会显示在显示器对应的终端。

为什么会有63个终端这么多呢？毕竟显示器只是一个单独的显示设备，键盘往往也只有一个，但Linux内核有能力知道现在该干什么，所以事实上Linux内核在初始化时会生成63个本地终端，通过键盘上的Fn-Alt-FX(X为1,2,3…)可以在这些终端之间切换，每切换到一个终端，该终端就是当前的焦点终端，比如说，你按下了Fn-Alt-F4组合键，那么此时第4个终端就是焦点终端，即/dev/tty4就是焦点终端设备。

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

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

3.5 串口终端ttyS*

以ttyS开头的就是串口连接的终端，比如ttyS1，ttyS2…

3.6 伪终端

伪终端（pseudo-terminal，简称 PTY）是在Unix和Linux系统中用于模拟真实物理终端的一种机制。它允许程序像与真实终端交互一样与用户或其他进程进行通信，但实际上并不依赖物理设备。以下是关于伪终端及其设备文件的详细解释：

伪终端的工作原理： 伪终端系统主要分为两部分

主设备（master device）：
- 通常表示为 /dev/ptmx 或 /dev/ptm。
- 应用程序通过此设备与伪终端进行交互，接收和发送数据。
- 当一个进程打开 /dev/ptmx 文件时，会获得一个新的伪终端主设备文件描述符，并自动在 /dev/pts/ 目录下创建一个新的从设备文件。
从设备（slave device）：
- 表示为 /dev/pts/N，其中 N 是一个数字，代表伪终端的编号。
- 提供与真实终端相同的接口，但没有物理硬件依赖。
- 具有标准输入、标准输出和标准错误输出等功能。

伪终端的使用场景：

远程连接：如通过 SSH、Telnet 等协议进行的远程会话。
窗口管理器中的终端模拟：如 GNOME Terminal、Konsole 等图形终端模拟器。
脚本自动交互：用于自动化测试、批量操作等场景。

伪终端设备文件详解：

/dev/ptmx：
- 是伪终端系统的主设备文件。
- 用于创建一个新的伪终端对（主设备和从设备）。
- 通过打开此文件并调用相应的系统调用（如 ioctl），可以获取与从设备相关的文件描述符和信息。通过 ioctl 系统调用和 TIOCGPTN 命令获取从设备的编号。
/dev/pts/N：
- 是伪终端系统的从设备文件。
- 每个从设备文件对应一个唯一的伪终端编号 N。
- 提供与真实终端相似的接口，允许用户或其他进程进行输入/输出操作。

3.7 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。
我们可以从多个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

3.8 /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，可通过该命令查看cmdline：cat /proc/cmdline

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

不管你在哪里往/dev/console里写东西，这些东西总会出现在系统当前的焦点终端上！

二、TTY驱动框架

1. 行规程的引入

在这里插入图片描述
以下文字引用自参考资料解密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）。

2. TTY驱动程序框架（kernel/drivers/tty）

在这里插入图片描述

2.1 核心文件

tty_io.c：
- 这是TTY设备核心的实现文件，包含了TTY设备的输入输出操作、读写函数等。
- 管理字符的输入输出流，处理字符设备的基本功能，如读取、写入、控制信号等。
tty_buffer.c：
- 提供对TTY缓冲区的管理功能。
- 实现输入和输出缓冲区的操作，如字符的存储、读取和清空。
tty_ldisc.c：
- 实现行规程的核心逻辑，管理不同的行规程（如N_TTY、N_PPP等）。
- 负责行规程的切换和设置，处理输入数据的解析和输出的格式化。
pty.c：
- 实现伪终端的相关功能，包括伪终端的操作和管理。
- 允许创建一对主从终端，使用户可以在应用程序和Shell之间进行交互。

在 /drivers/tty 下，行规程是TTY系统的重要组成部分。行规程定义了输入输出数据的处理方式，可以通过 tty_ldisc.c 进行管理。每种行规程都要实现特定的回调函数，以用于处理数据的读取、写入和设置操作。

TTY设备通常由字符设备驱动支持，用户空间进程通过与TTY接口交互来执行输入输出操作。

使用标准库函数（如 read()、write()、ioctl() 等）与TTY设备进行交互。
TTY设备驱动将用户空间的请求转化为内核空间的设备操作。

2.2 `hvc` 目录

hvc 目录包含了 Hypervisor Console（HVC）设备的驱动程序。HVC是一种虚拟机监视器（VMM）提供的虚拟控制台接口，允许虚拟机与主机进行通信。

hvc_console.c：
- 实现HVC设备的控制台功能。
- 支持虚拟机与主机之间的输入输出操作。
- 处理HVC设备的初始化、打开、关闭和读写操作。
hvc_irq.c：
- 处理HVC设备的IRQ（中断请求）。
- 实现中断服务例程（ISR），确保HVC设备及时响应中断事件。
hvc_vio.c：
- 提供与IBM PowerVM虚拟I/O（vio）设备相关的HVC支持。
- 处理vio设备的初始化和操作。
hvc_xen.c：
- 提供与Xen虚拟化平台相关的HVC支持。
- 处理Xen虚拟机与主机之间的控制台通信。