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TTY设备驱动程序

2013年12月18日

TTY 设备驱动程序的内核数据结构定义 struct tty_driver, 开发针对特定设备的 TTY 驱动程序,仅2步:

  • 定义 tty_driver, 关键是完成操作硬件设备的入口函数集 struct tty_operations;
  • 注册 tty_driver, 通过调用 TTY I/O Core(内核为支持 tty driver 而定义的一系列数据结构和函数) API.

完成上述2个步骤使得用户空间可通过设备文件访问硬件,使用设备驱动程序提供的各种操作[ ELDD-6.3, LDD3-18 ]. 驱动开发者不仅需要会调用这些 API, 而且需要了解 API 的内部实现。本文关注驱动的注册过程,设备的打开、读、写的细节。 总的来说:

  • 驱动内嵌了字符设备,因此复用了字符设备文件的生成、查找、打开机制;
  • 注册时添加驱动到 TTY I/O Core 管理的链表中;
  • 一个驱动可以管理多个设备,每个设备拥有惟一的设备号;
  • 设备对用户空间来讲是设备文件节点,对内核空间来讲是 struct tty_struct; 注册时为每个设备创建设备文件节点(也可在注册设备驱动之后、打开设备之前创建);首次打开某个设备时由 TTY I/O Core 创建 tty_struct 用以实例化该设备;
  • 设备号非常重要,打开设备时,通过设备号获取驱动和索引号(该设备是驱动管理的第几个设备);得到驱动后通过索引号查找该驱动管理的设备实例 tty_struct;
  • TODO 线路规程

tty_driver 的注册过程

注册 TTY 设备驱动的流程图,以及,表示 TTY 设备驱动各个数据结构之间的关系:

weiyi-LDD-Figure-tty register

  1. 动态分配 tty_driver, 把支持的 tty 设备数量写入 .num, 由 alloc_tty_driver()完成;
  2. 初始化 tty_driver:
    • .driver_name, 与.name的区别参考 LDD3-18.小型TTY驱动程序.P543;
    • .name, 与次设备号组合成设备文件名称;
    • .major, 主设备号,若为0则注册时动态分配;
    • .type, 有3种类型的 tty 驱动程序(console, serial, pty), 一般设置新的驱动为 TTY_DRIVER_TYPE_SERIAL, [ LDD3-18-P539 ];
    • .flags, 标志位,一般设置为 TTY_DRIVER_REAL_RAW;
    • .init_termios, 终端属性初始化值;
    • .ops, 由驱动开发者完成的 struct tty_operations 类型操作函数集,需要完成 .open, .close, .write;
    • 其它成员 .cdev, .ttys, .termios, .tty_drivers 将由 tty_register_driver() 完成初始化。
  3. 调用 int tty_register_driver(struct tty_driver *driver) 向 TTY I/O Core 注册该设备驱动程序:
    • 分配设备号;
    • 注册字符设备(回顾“创建并注册一个新的字符设备”),它的文件操作函数集 kernel/drivers/tty/tty_io.c/struct file_operations tty_fops 是 TTY I/O Core 为支持 tty_driver 而定义;
    • 添加 .tty_drivers 到 TTY I/O Core 管理的链表,该链表用于管理注册到 TTY I/O Core 的所有 tty_driver, 通过调用 get_tty_driver() 以设备号为索引遍历链表获取,后续分析 open 过程时会有详细说明(链表相关知识参考 [ LKA-1.3.13 ], [ LDD3-11.链表]);
    • 调用 tty_register_device(), 根据分配的设备号和 .name 生成 .num 个设备文件;
    • 初始化设备文件的 inode; 这两步建立了用户空间与内核空间交互的文件接口(回顾“字符设备文件 & 设备文件节点的生成及打开”);
    • 写与驱动程序相关的信息到文件 /proc/tty/drivers;

至此,tty_driver 注册已经完成,它所有的初始化工作都是为后续的文件操作做准备。驱动开发者几乎只需实现并注册设备驱动, 其它工作由 TTY I/O Core 托管,后续将从 open, close, read, write 分析实现的细节。

TTY 设备的打开操作

打开 TTY 设备的流程图,以及,表示 TTY 设备各个数据结构之间的关系:

weiyi-LDD-Figure-tty open

  1. TTY 设备驱动基于字符设备构建,首先会执行字符设备的打开操作,将执行 filp->f_op->open(inode,filp) 即 tty_open(), Linux 中基于 cdev 创建的设备,打开操作与此相同;
  2. tty_open()是 TTY 设备的标准打开函数,由它进一步调用驱动开发者定义的 open 入口函数:
    • 查找 tty_driver: 以设备号为索引遍历链表获取 tty_driver 和 设备的索引号 index(若 driver 管理两个设备,打开第一个设备返回0,打开第二个设备返回1,index 被用于 tty_struct 索引);如果没有与设备号匹配的驱动,返回 ENODEV “No such device”, 打开失败;
    • 查找 tty_struct: 以索引号在 tty_driver 中查找,若有,说明设备被打开过,执行 tty_reopen()更新打开次数;若无,说明首次打开,需要建立设备的 tty_struct;
      1. 动态分配 tty_struct 的存储空间,然后初始化它,包括:
        • 指向一个动态分配的线路规程 struct tty_ldisc, 获取默认的线路规程 N_TTY 的操作函数集(drivers/tty/n_tty.c/struct tty_ldisc_ops tty_ldisc_N_TTY);
        • 初始化一个链表头,该链表用于管理多次打开设备时生成的 struct file;
        • 指向 tty_driver;
        • 指向 tty_driver.ops;
        • 记录设备的索引号 index;
        • 记录设备文件的名称;
      2. 设置 tty_driver, tty_struct 的终端属性;打开次数 tty_struct.count 加1; 被 tty_driver 指向;
      3. 执行线路规程的 open 操作,为线路规程分配数据读缓冲区;
    • 通过之前初始化的链表记录每一次打开设备产生的 struct file 回顾这里, 并建立两者的双向关联,所以,后续用户空间的操作就可以通过 file 获取 tty_struct, file_tty();
    • 执行注册设备驱动时定义的 open();
  3. 将 fd 返回到用户空间。

至此,tty 设备的打开操作已经完成,用户空间的 open 最终调用到了底层驱动的 open.
第一阶段的打开工作完全遵循字符设备的打开操作,因为 tty 设备建立在字符设备基础之上;第二阶段的打开工作由 tty_open()完成,当首次打开设备时创建 tty_struct, 这个数据结构由 TTY I/O Core 创建并管理,它一面连接内核空间的驱动,另一面连接用户空间的 file. 后续的 read、write、ioctl 等操作,通过 fd 获取设备文件对应的 file, 从而获得设备驱动的文件操作入口函数集,并执行:

tty 设备的关闭操作:filp->f_op->release(inode,filp), 即 tty_release();
tty 设备的写操作:file->f_op->write(file, buf, count, pos), 即 tty_write();
tty 设备的读操作:file->f_op->read(file, buf, count, pos), 即 tty_read();
相关的系统调用位于 ./kernel/fs/read_write.c/vfs_read(), vfs_write() ./kernel/fs/open.c/filp_close().

struct tty_operations

//由 tty_driver_lookup_tty()调用
struct tty_struct * (*lookup)(struct tty_driver *driver, struct inode *inode, int idx);
//由 tty_driver_install_tty()调用
int  (*install)(struct tty_driver *driver, struct tty_struct *tty); 
//由 tty_driver_remove_tty()调用
void (*remove)(struct tty_driver *driver, struct tty_struct *tty);
//以上3个函数指针由 tty_io.c 内部使用,用于查找、赋值、删除 struct tty_drive 内部的 struct tty_struct 列表;如果函数未实现(NULL),则默认使用 ttys array. 

//由 tty_open()调用
int  (*open)(struct tty_struct * tty, struct file * filp);
//由 tty_release()调用
void (*close)(struct tty_struct * tty, struct file * filp);
//由 tty_write()调用
int  (*write)(struct tty_struct * tty, const unsigned char *buf, int count);
//以上3个函数指针在打开、关闭、写 tty device 时被调用,必须实现。

//其它 TODO

TTY 的线路规程

线路规程提供的机制,使得用户运行不同的应用程序时,能够使用相同的串行驱动程序。底层的物理驱动程序和 tty 驱动程序负责从硬件上接收数据,而线路规程负责处理这些数据,并在内核空间和用户空间之间传递数据 [ ELDD-6.4 ]。
串行子系统支持17种标准的线路规程。打开串行端口时 TTY I/O Core 默认绑定的是 N_TTY, 它实现了终端 I/O 处理。

正在使用的线路规程

$ cat /proc/tty/ldiscs
n_tty    0 (线路规程名,线路规程ID号)
input    2

设置线路规程 TODO

/kernel/Documentation/serial/tty.txt:Line disciplines are registered with tty_register_ldisc()
kernel/drivers/misc/ti-st/st_core.c:    err = tty_register_ldisc(N_TI_WL, &st_ldisc_ops);

TTY 设备的写操作

tty_write() -> do_tty_write() -> ld->ops->write() == n_tty_write() -> tty->ops->write() [ELDD-6.4.3]
static ssize_t n_tty_write(struct tty_struct *tty, struct file *file, const unsigned char *buf, size_t nr)
    while (1) {
        //O_OPOST(tty)=0, tty->flags=0A00, if(?=0)
        //问题是,按代码分析O_OPOST(tty)应该为1,可以实际的打印值为0? TODO
        if (O_OPOST(tty) && !(test_bit(TTY_HW_COOK_OUT, &tty->flags))) {
            while (nr > 0) {
                //这个函数最终调用的也是tty->ops->write();
                ssize_t num = process_output_block(tty, b, nr);  
        } else {
            //从打印结果来看,写操作走到这个分支
            while (nr > 0) {
                c = tty->ops->write(tty, b, nr);

关于 TTY_HW_COOK_OUT TODO

./kernel/include/linux/tty.h:#define TTY_HW_COOK_OUT    14      /* Hardware can do output cooking */
./kernel/drivers/tty/n_tty.c:                       !(test_bit(TTY_HW_COOK_OUT, &tty->flags))) {
./kernel/drivers/tty/n_tty.c:           if (O_OPOST(tty) && !(test_bit(TTY_HW_COOK_OUT, &tty->flags))) {
./kernel/drivers/char/sx.c:             set_bit(TTY_HW_COOK_OUT, &port->gs.port.tty->flags);
./kernel/drivers/char/sx.c:             clear_bit(TTY_HW_COOK_OUT, &port->gs.port.tty->flags);

TTY 设备的读操作

struct tty_operations{}中没有read函数。
对于中断驱动的设备,读取数据的过程通常由一前一后两个线程组成 [ELDD-6.4.2]。

  1. 用户空间读数据发起的顶层线程:
    用户空间的 read 把数据搬运到用户空间的缓冲区 [LDD3-3-图3.2]。

     tty_read() -> ld->ops->read() == n_tty_read() -> tty->ops-> read() 
     static ssize_t n_tty_read()
         add_wait_queue(&tty->read_wait, &wait);
         while (nr) {
             //tty->icanon=0, L_EXTPROC(tty)=0? TODO
             if (tty->icanon && !L_EXTPROC(tty)) {
             } else {
                 uncopied = copy_from_read_buf(tty, &b, &nr);
             }
         }
     static int copy_from_read_buf()
         retval = copy_to_user(*b, &tty->read_buf[tty->read_tail], n);
    

至此,可以看出 read 操作最终是从 tty_struct.read_buf 中读取数据,问题是,谁向其中写入了数据?

  1. 接收硬件数据的 ISR 唤醒的底层线程:
    考虑到串行设备驱动程序层次结构的划分,

     kernel/drivers/tty/tty_buffer.c
     void tty_flip_buffer_push(struct tty_struct *tty)
         //TODO tty->low_latency=1? tmc_timer()中赋值为1
         if (tty->low_latency)
             flush_to_ldisc(&tty->buf.work.work); 
       
     static void flush_to_ldisc(struct work_struct *work)
             while ((head = tty->buf.head) != NULL) {
                 disc->ops->receive_buf(tty, char_buf, flag_buf, count);
    
     static void n_tty_receive_buf()
         //tty->real_raw=1. TODO
         if (tty->real_raw)
             memcpy(tty->read_buf + tty->read_head, cp, i);
    
    • 底层驱动程序(比如 UART Device Drivers serial_omap_irq())会把硬件接收到的数据“推送”到交替缓冲区 tty->buf(驱动开发者不必为每个 tty 驱动实现自己的缓冲区逻辑),通过调用 tty_insert_flip_char()完成;
    • 再推向线路规程,必需调用 tty_flip_buffer_push(); 设置 tty->low_latency 标志位会调用 flush_to_ldisc()使得数据“推送”立刻执行,否则放入队列排队 [ LDD3-18.怎么没有read函数-P550], [ ELDD-6.4.2 ];
    • “推送”工作交由线路规程的文件操作函数 tty_ldisc_ops->receive_buf()完成,而 N_TTY 把数据从交替缓冲区 tty->read_head 拷贝到 tty->read_buf.

至此,读操作分析完毕。

TODO
修正 [ ELDD-6.4-图6.7 ], 标注 tty_read()来自?
分析交替缓冲区数据收集的缓冲区(struct tty_bufhead, strcut tty_buffer), tty->flip.char_buf 这个是旧的数据结构接口 ELDD-6.3-P133

TTY 设备的 ioctl 操作

当涉及检查特定于设备的功能和属性,超出了通用文件框架的限制时,只用输入输出命令很难完成。通过定义具有特殊含义的“魔术”字符串,并使用通用的读写函数,也可以完成此类任务。但如果要写入的数据和作为控制的“魔术”字符串相同,则会冲突。所以内核提供了 IOCTL 方法,每个设备驱动程序可以定义一个 ioctl 例程,使得控制数据的传输可以独立于实际的输入输出通道。标准库提供了 ioctl 函数,可以通过特殊的码值将 ioctl 命令发送到打开的文件 [ LKA-6.2.3 ]。

long tty_ioctl()
    if (ld->ops->ioctl) 
        retval = ld->ops->ioctl(tty, file, cmd, arg);

记录 ioctl(set termios)流程 TODO
[tty_init_dev]1412, driver_name=pty_master,c_oflag=0, c_iflag=0, c_cflag=191, c_lflag=0, flags=2560.
[tty_init_dev]1412, driver_name=tmc_tty, c_oflag=5, c_iflag=1280, c_cflag=3261, c_lflag=35387, flags=2560.

  • 关于 tty->low_latency

    表示 tty 设备是否是个慢速设备,是否能接收高速传输的数据。tty 驱动程序可以设置该值。[ LDD3-18.tty_struct{}-P564 ]
    Indicates whether the tty device is a low-latency device, capable of receiving data at a very high rate of speed. The tty driver can set this value.

      kernel/drivers/tty/tty_buffer.c: if (tty->low_latency)
      kernel/include/linux/tty.h
      struct tty_struct {
          unsigned char low_latency:1; 
    
  • 关于 tty->icanon
    Enable canonical mode (described below)
    tty->icanon = (L_ICANON(tty) != 0);

  • 关于 tty->real_raw

    tty 驱动程序和 tty 核心都使用 flags 变量表明当前驱动程序的状态以及该 tty 驱动程序的类型。这里定义了许多位的掩码宏操作,当对这些标志位进行测试和操作时,必须使用这些宏。驱动程序可以设置的 flags 变量中的三个位:TTY_DRIVER_REAL_RAW, 该标志表示 tty 驱动程序使用奇偶校验或者中断字符线路规程。这使得线路规程能以比较快的方式接收字符,因为它不必检查从 tty 驱动程序那里接收的每一个字符。由于速度提升的好处,所有的 tty 驱动程序通常都设置该位[ LDD3-18.termios结构-P544 ]。

      $ grep -r -w  --exclude-dir="*.svn" "TTY_DRIVER_REAL_RAW" kernel/drivers/tty/
      kernel/drivers/tty/n_tty.c:
      n_tty_set_termios()
          if (test_bit(TTY_HW_COOK_IN, &tty->flags)) {
              tty->real_raw = 1;
              return;
          }
          if (){
          } else {
              if (... (tty->driver->flags & TTY_DRIVER_REAL_RAW))
                  tty->real_raw = 1;
              else
                  tty->real_raw = 0;
          } 
    
  • 关于 TTY_HW_COOK_IN

    几乎与设置驱动程序 flags 变量为 TTY_DRIVER_REAL_RAW 的情况相同。该标志位通常不能由 tty 驱动程序设置[ LDD3-18.tty_struct-P563 ]。

      $ grep -r -w  --exclude-dir="*.svn" "TTY_HW_COOK_IN" kernel/drivers/
      整个driver目录,就只有3处,所以可以认定,在n_tty.c中,该标志位未被置位。
      kernel/drivers/tty/n_tty.c: if (test_bit(TTY_HW_COOK_IN, &tty->flags)) {
      kernel/drivers/char/sx.c:   clear_bit(TTY_HW_COOK_IN, &port->gs.port.tty->flags);
      kernel/drivers/char/sx.c:   set_bit(TTY_HW_COOK_IN, &port->gs.port.tty->flags);
    

查看 TTT 设备及设备驱动信息的系统命令

  • 已注册的 TTY 驱动

      # cat /proc/tty/drivers
      OMAP-SERIAL          /dev/ttyO     253 0-5 serial
      tmc_tty              /dev/tmc_tty  240 0-1 serial
    
  • 已注册的 TTY 设备

      # ls /sys/class/tty | busybox grep ttyO
      ttyO0
      ttyO1
      ttyO2
      ttyO3
    
  • 正在使用的线路规程

      # cat /proc/tty/ldiscs
      n_tty       0
      input       2
      n_hci      15
      n_st       22
    

编辑历史

  • 2013-12-23 初稿,完成文字部分整理
  • 2014-01-05 完成2个流程图绘制
  • 2014-01-11 使用markdown编辑格式

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