【驱动】串口驱动分析(二)-tty core-编程知识

前言

tty这个名称源于电传打字节的简称，在linux表示各种终端，终端通常都跟硬件相对应。比如对应于输入设备键盘鼠标，输出设备显示器的控制终端和串口终端。也有对应于不存在设备的pty驱动。在如此众多的终端模型之中，linux是怎么将它们统一建模的呢？这就是我们今天要讨论的问题。

tty驱动概貌

tty架构如下所示：

如上图所示,用户空间主要是通过系统调用与tty core交互。tty core根据用空间操作的类型再选择跟line discipline和tty driver交互。

例如，设置硬件的ioctl指令就直接交给tty_driver处理。read和write操作就会交给 line discipline处理。

Line discipline是线路规程的意思。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。

处理之后，就会将数据交给tty driver ，它将字符转换成终端可以理解的字串。将其传给终端设备。

值得注意的是，这个架构没有为tty driver 提供read操作。也就是说tty core 和line discipline都没有办法从tty driver里直接读终端信息。这是因为tty driver对应的hardware并不一定是输入数据和输出数据的共同负载者。

例如控制终端，输出设备是显示器，输入设备是键盘。基于这样的原理。在line discipline中有一个输入缓存区，并提供了一个名叫receive_buf()的接口函数。对应的终端设备只要调用line discipine的receiver_buf函数，将数据写入到输入缓存区就可以了。如果一个设备同时是输入设备又是输出设备。那在设备的中断处理中调用receive_buf()将数据写入即可.

tty驱动接口分析

tty_init()

/** Ok, now we can initialize the rest of the tty devices and can count* on memory allocations, interrupts etc..*/
int __init tty_init(void)
{tty_sysctl_init();cdev_init(&tty_cdev, &tty_fops);if (cdev_add(&tty_cdev, MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 0), 1) ||register_chrdev_region(MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 0), 1, "/dev/tty") < 0)panic("Couldn't register /dev/tty driver\n");device_create(tty_class, NULL, MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 0), NULL, "tty");cdev_init(&console_cdev, &console_fops);if (cdev_add(&console_cdev, MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 1), 1) ||register_chrdev_region(MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 1), 1, "/dev/console") < 0)panic("Couldn't register /dev/console driver\n");consdev = device_create_with_groups(tty_class, NULL,MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 1), NULL,cons_dev_groups, "console");if (IS_ERR(consdev))consdev = NULL;#ifdef CONFIG_VTvty_init(&console_fops);
#endifreturn 0;
}

tty_init主要做了以下工作：

初始化 tty 子系统的 sysctl 相关设置，包括注册 sysctl 参数、创建 sysctl 目录等。
初始化 tty 设备的字符设备对象，并将其与 tty 设备操作函数 tty_fops 绑定。同时，创建一个名为 “tty” 的 tty 设备节点，并将其设备号设置为 MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 0)。
初始化控制台设备的字符设备对象，并将其添加到字符设备系统中。同时，创建一个名为 “console” 的控制台设备节点，并将其设备号设置为 MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 1)。该控制台设备节点还将在 sysfs 中创建一个名为 “console” 的目录，并在该目录下创建多个属性文件，用于控制控制台的一些属性。
如果内核支持虚拟终端，则初始化虚拟终端。

这里我们看到了熟悉的cdev_init(),device_create()之类的函数，这正是字符设备的创建流程。因此，我们说串口驱动也是一个字符设备驱动。

而在serial8250_init()中，会调用platform_driver_register()去注册serial8250_isa_driver，在设备树节点和serial8250_isa_driver name匹配的时候，就会进入probe流程。因此，也可以说串口驱动是总线设备驱动模型。

tty_alloc_driver

/* Use TTY_DRIVER_* flags below */
#define tty_alloc_driver(lines, flags) \__tty_alloc_driver(lines, THIS_MODULE, flags)

__tty_alloc_driver()用于分配一个 tty 驱动程序的数据结构 struct tty_driver，并对其一些常用字段进行初始化。

/*** __tty_alloc_driver -- allocate tty driver* @lines: count of lines this driver can handle at most* @owner: module which is repsonsible for this driver* @flags: some of TTY_DRIVER_* flags, will be set in driver->flags** This should not be called directly, some of the provided macros should be* used instead. Use IS_ERR and friends on @retval.*/
struct tty_driver *__tty_alloc_driver(unsigned int lines, struct module *owner,unsigned long flags)
{struct tty_driver *driver;unsigned int cdevs = 1;int err;if (!lines || (flags & TTY_DRIVER_UNNUMBERED_NODE && lines > 1))return ERR_PTR(-EINVAL);/*分配一个 struct tty_driver 结构体，并对其中的一些字段进行初始化，包括 num、owner、flags 等*/driver = kzalloc(sizeof(struct tty_driver), GFP_KERNEL);if (!driver)return ERR_PTR(-ENOMEM);kref_init(&driver->kref);driver->magic = TTY_DRIVER_MAGIC;driver->num = lines;driver->owner = owner;driver->flags = flags;/*如果 TTY_DRIVER_DEVPTS_MEM 标志位没有被设置，那么函数会分配 driver->ttys 和 driver->termios，否则不需要分配*/if (!(flags & TTY_DRIVER_DEVPTS_MEM)) {driver->ttys = kcalloc(lines, sizeof(*driver->ttys),GFP_KERNEL);driver->termios = kcalloc(lines, sizeof(*driver->termios),GFP_KERNEL);if (!driver->ttys || !driver->termios) {err = -ENOMEM;goto err_free_all;}}/*如果 TTY_DRIVER_DYNAMIC_ALLOC 标志位没有被设置，那么函数会分配 driver->ports，否则不需要分配*/if (!(flags & TTY_DRIVER_DYNAMIC_ALLOC)) {driver->ports = kcalloc(lines, sizeof(*driver->ports),GFP_KERNEL);if (!driver->ports) {err = -ENOMEM;goto err_free_all;}cdevs = lines;}/*函数会根据 lines 的值分配相应数量的 driver->cdevs*/driver->cdevs = kcalloc(cdevs, sizeof(*driver->cdevs), GFP_KERNEL);if (!driver->cdevs) {err = -ENOMEM;goto err_free_all;}return driver;
err_free_all:kfree(driver->ports);kfree(driver->ttys);kfree(driver->termios);kfree(driver->cdevs);kfree(driver);return ERR_PTR(err);
}

tty_register_driver

tty_register_driver用于注册 tty 驱动程序的，被 tty 驱动程序调用以将自己注册到内核中。

/** Called by a tty driver to register itself.*/
int tty_register_driver(struct tty_driver *driver)
{int error;int i;dev_t dev;struct device *d;/*确认是否要内核动态分配主设备号*/if (!driver->major) {/*函数调用 alloc_chrdev_region 函数来动态分配主设备号，并将分配的主设备号和次设备号保存在 driver->major 和 driver->minor_start 字段中*/error = alloc_chrdev_region(&dev, driver->minor_start,driver->num, driver->name);if (!error) {driver->major = MAJOR(dev);driver->minor_start = MINOR(dev);}} else {/*已经预先分配了主设备号，函数调用 register_chrdev_region 函数来注册设备号*/dev = MKDEV(driver->major, driver->minor_start);error = register_chrdev_region(dev, driver->num, driver->name);}if (error < 0)goto err;/*判断是否设置了 TTY_DRIVER_DYNAMIC_ALLOC 标志位*/if (driver->flags & TTY_DRIVER_DYNAMIC_ALLOC) {/*需要动态分配 tty 设备号，函数调用 tty_cdev_add 函数来添加 tty 设备号，并将每个 tty 设备的字符设备注册到内核中*/error = tty_cdev_add(driver, dev, 0, driver->num);if (error)goto err_unreg_char;}mutex_lock(&tty_mutex);/*将 driver 添加到链表 tty_drivers 中*/list_add(&driver->tty_drivers, &tty_drivers);mutex_unlock(&tty_mutex);/*判断 TTY_DRIVER_DYNAMIC_DEV 标志位是否设置*/if (!(driver->flags & TTY_DRIVER_DYNAMIC_DEV)) {for (i = 0; i < driver->num; i++) {/*需要注册固定的 tty 设备号，函数在循环中调用 tty_register_device 函数来注册每个 tty 设备号，并将每个 tty 设备注册到内核中*/d = tty_register_device(driver, i, NULL);if (IS_ERR(d)) {error = PTR_ERR(d);goto err_unreg_devs;}}}/*注册 /proc/tty/drivers 目录中的信息*/proc_tty_register_driver(driver);/*将 driver 结构体中的 flags 字段设置为 TTY_DRIVER_INSTALLED，表示该驱动程序已经被成功注册到内核中*/driver->flags |= TTY_DRIVER_INSTALLED;return 0;err_unreg_devs:for (i--; i >= 0; i--)tty_unregister_device(driver, i);mutex_lock(&tty_mutex);list_del(&driver->tty_drivers);mutex_unlock(&tty_mutex);err_unreg_char:unregister_chrdev_region(dev, driver->num);
err:return error;
}

tty_register_driver()函数操作比较简单。就是为tty_driver创建字符设备。然后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。这个链表中是以设备号为关键字找到对应的driver。

特别的。如果没有定义TTY_DRIVER_DYNAMIC_DEV。还会在sysfs中创建一个类设备。这样主要是为了udev管理设备。

tty_unregister_device

tty_unregister_device用于注销一个 tty 设备。该函数的作用是销毁设备节点和字符设备，以便于释放与该 tty 设备相关的资源，例如内存和设备文件等.

/*** 	tty_unregister_device - unregister a tty device* 	@driver: the tty driver that describes the tty device* 	@index: the index in the tty driver for this tty device** 	If a tty device is registered with a call to tty_register_device() then*	this function must be called when the tty device is gone.**	Locking: ??*/void tty_unregister_device(struct tty_driver *driver, unsigned index)
{device_destroy(tty_class,MKDEV(driver->major, driver->minor_start) + index);if (!(driver->flags & TTY_DRIVER_DYNAMIC_ALLOC)) {cdev_del(driver->cdevs[index]);driver->cdevs[index] = NULL;}
}

tty_unregister_device所做工作如下：

调用 device_destroy 函数来销毁 tty 设备对应的设备节点。接受两个参数：第一个参数 tty_class 表示 tty 类，第二个参数是 tty 设备的设备号，其中 MKDEV(driver->major, driver->minor_start) + index 表示 tty 设备的设备号，driver->major 表示 tty 设备的主设备号，driver->minor_start 表示 tty 设备的次设备号的起始值，index 表示 tty 设备的索引
如果该 tty 驱动程序不是动态分配的，则调用 cdev_del 函数来注销该 tty 设备对应的字符设备。

get_tty_driver

get_tty_driver作用是在用户空间的应用程序使用 tty 设备时，获取对应的 tty 驱动程序的信息。

/***	get_tty_driver		-	find device of a tty*	@dev_t: device identifier*	@index: returns the index of the tty**	This routine returns a tty driver structure, given a device number*	and also passes back the index number.**	Locking: caller must hold tty_mutex*/static struct tty_driver *get_tty_driver(dev_t device, int *index)
{struct tty_driver *p;/**/list_for_each_entry(p, &tty_drivers, tty_drivers) {dev_t base = MKDEV(p->major, p->minor_start);if (device < base || device >= base + p->num)continue;*index = device - base;return tty_driver_kref_get(p);}return NULL;
}

首先使用 list_for_each_entry 循环遍历全局链表 tty_drivers，该链表中保存了所有已经注册的 tty 驱动程序。对于每个 tty 驱动程序，函数将其设备号的起始值和结束值计算出来，如果给定设备号不在这个范围内，则继续遍历下一个 tty 驱动程序。

如果给定设备号在某个 tty 驱动程序的范围内，则计算出该设备号对应的 tty 设备的索引值，并调用 tty_driver_kref_get 函数来获取该 tty 驱动程序的引用计数。函数返回该 tty 驱动程序的结构体指针，并将找到的 tty 设备的索引值保存到 index 参数中。

需要注意的是，函数在访问全局链表 tty_drivers 时，需要持有互斥锁 tty_mutex。因为多个应用程序可能同时访问同一个 tty 驱动程序，如果没有互斥锁保护，可能会导致并发问题。

tty_open

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()，用于打开一个 tty 设备。函数的作用是在用户空间的应用程序使用 tty 设备时，打开对应的 tty 设备，并初始化相应的数据结构。

/***	tty_open		-	open a tty device*	@inode: inode of device file*	@filp: file pointer to tty**	tty_open and tty_release keep up the tty count that contains the*	number of opens done on a tty. We cannot use the inode-count, as*	different inodes might point to the same tty.**	Open-counting is needed for pty masters, as well as for keeping*	track of serial lines: DTR is dropped when the last close happens.*	(This is not done solely through tty->count, now.  - Ted 1/27/92)**	The termios state of a pty is reset on first open so that*	settings don't persist across reuse.**	Locking: tty_mutex protects tty, tty_lookup_driver and tty_init_dev.*		 tty->count should protect the rest.*		 ->siglock protects ->signal/->sighand**	Note: the tty_unlock/lock cases without a ref are only safe due to*	tty_mutex*/static int tty_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{struct tty_struct *tty;int noctty, retval;struct tty_driver *driver = NULL;int index;dev_t device = inode->i_rdev;unsigned saved_flags = filp->f_flags;nonseekable_open(inode, filp);retry_open:/*分配一个 tty 结构体*/retval = tty_alloc_file(filp);if (retval)return -ENOMEM;/*检查文件的标志位，如果包含 O_NOCTTY 标志，则禁止将该 tty 设备设置为控制终端*/noctty = filp->f_flags & O_NOCTTY;index  = -1;retval = 0;/*尝试打开当前的 tty 设备*/tty = tty_open_current_tty(device, filp);if (!tty) {mutex_lock(&tty_mutex);/*根据设备号来查找对应的 tty 驱动程序，并初始化该 tty 设备，将找到的 tty 驱动程序保存到 driver 变量中*/driver = tty_lookup_driver(device, filp, &noctty, &index);if (IS_ERR(driver)) {retval = PTR_ERR(driver);goto err_unlock;}/* check whether we're reopening an existing tty *//*查找对应的 tty 设备，并将找到的 tty 设备结构体指针保存到 tty 变量中*/tty = tty_driver_lookup_tty(driver, inode, index);if (IS_ERR(tty)) {retval = PTR_ERR(tty);goto err_unlock;}if (tty) {/*如果找到了该 tty 设备，则需要重新打开该 tty 设备*/mutex_unlock(&tty_mutex);retval = tty_lock_interruptible(tty);tty_kref_put(tty);  /* drop kref from tty_driver_lookup_tty() */if (retval) {if (retval == -EINTR)retval = -ERESTARTSYS;goto err_unref;}retval = tty_reopen(tty);if (retval < 0) {tty_unlock(tty);tty = ERR_PTR(retval);}} else { /* Returns with the tty_lock held for now *//*需要初始化该 tty 设备*/tty = tty_init_dev(driver, index);/*为该 tty 设备分配一个 tty 结构体，并对其进行初始化*/mutex_unlock(&tty_mutex);}tty_driver_kref_put(driver);}if (IS_ERR(tty)) {retval = PTR_ERR(tty);if (retval != -EAGAIN || signal_pending(current))goto err_file;tty_free_file(filp);schedule();goto retry_open;}/*将该 tty 设备与文件结构体相关联*/tty_add_file(tty, filp);check_tty_count(tty, __func__);/*如果该 tty 设备是一个伪终端主设备，则需要将 noctty 标志设置为 1*/if (tty->driver->type == TTY_DRIVER_TYPE_PTY &&tty->driver->subtype == PTY_TYPE_MASTER)noctty = 1;tty_debug_hangup(tty, "(tty count=%d)\n", tty->count);/*调用 tty 设备的 open 函数*/if (tty->ops->open)retval = tty->ops->open(tty, filp);elseretval = -ENODEV;filp->f_flags = saved_flags;if (retval) {tty_debug_hangup(tty, "error %d, releasing...\n", retval);tty_unlock(tty); /* need to call tty_release without BTM */tty_release(inode, filp);if (retval != -ERESTARTSYS)return retval;if (signal_pending(current))return retval;schedule();/** Need to reset f_op in case a hangup happened.*/if (tty_hung_up_p(filp))filp->f_op = &tty_fops;goto retry_open;}clear_bit(TTY_HUPPED, &tty->flags);read_lock(&tasklist_lock);spin_lock_irq(&current->sighand->siglock);if (!noctty &&current->signal->leader &&!current->signal->tty &&tty->session == NULL) {/** Don't let a process that only has write access to the tty* obtain the privileges associated with having a tty as* controlling terminal (being able to reopen it with full* access through /dev/tty, being able to perform pushback).* Many distributions set the group of all ttys to "tty" and* grant write-only access to all terminals for setgid tty* binaries, which should not imply full privileges on all ttys.** This could theoretically break old code that performs open()* on a write-only file descriptor. In that case, it might be* necessary to also permit this if* inode_permission(inode, MAY_READ) == 0.*/if (filp->f_mode & FMODE_READ)__proc_set_tty(tty);}spin_unlock_irq(&current->sighand->siglock);read_unlock(&tasklist_lock);tty_unlock(tty);return 0;
err_unlock:mutex_unlock(&tty_mutex);
err_unref:/* after locks to avoid deadlock */if (!IS_ERR_OR_NULL(driver))tty_driver_kref_put(driver);
err_file:tty_free_file(filp);return retval;
}

函数所作工作如下：

在打开 tty 设备时，该函数会检查文件的标志位，如果包含 O_NOCTTY 标志，则禁止将该 tty 设备设置为控制终端。这是因为如果一个进程打开一个 tty 设备并将其设置为控制终端，其他进程就无法再将该 tty 设备设置为控制终端，这可能会导致一些问题。
如果打开当前的 tty 设备失败，则需要根据设备号来查找对应的 tty 驱动程序，并初始化该 tty 设备。在查找 tty 驱动程序时，需要调用 tty_lookup_driver 函数来查找对应的 tty 驱动程序，并将找到的 tty 驱动程序保存到 driver 变量中。如果找不到对应的 tty 驱动程序，则返回错误码。
如果找到了对应的 tty 驱动程序，则调用 tty_driver_lookup_tty 函数来查找对应的 tty 设备，并将找到的 tty 设备结构体指针保存到 tty 变量中。如果找到了该 tty 设备，则需要重新打开该 tty 设备。否则，需要初始化该 tty 设备。在初始化 tty 设备时，需要调用 tty_init_dev 函数来为该 tty 设备分配一个 tty 结构体，并对其进行初始化。
在打开 tty 设备之后，函数会调用 tty_add_file 函数将该 tty 设备与文件结构体相关联。此外，如果该 tty 设备是一个伪终端主设备，则需要将 noctty 标志设置为 1。
最后，函数会调用 tty 设备的 open 函数，如果存在的话，来进行一些特定的操作。如果 open 函数返回错误码，则需要释放该 tty 设备并返回错误码。如果 open 函数返回 -ERESTARTSYS，则需要重新打开该 tty 设备。如果有中断发生，也需要重新打开该 tty 设备。

tty_write

tty_write()作用是将用户数据写入 tty 设备，并通过线路规则（line discipline）进行处理。

线路规则是 tty 设备的一种机制，用于处理和转换从用户进程到内核和设备的数据流。在写入 tty 设备之前，需要获取该 tty 设备的线路规则，并调用其 write 方法进行处理。

/***	tty_write		-	write method for tty device file*	@file: tty file pointer*	@buf: user data to write*	@count: bytes to write*	@ppos: unused**	Write data to a tty device via the line discipline.**	Locking:*		Locks the line discipline as required*		Writes to the tty driver are serialized by the atomic_write_lock*	and are then processed in chunks to the device. The line discipline*	write method will not be invoked in parallel for each device.*/static ssize_t tty_write(struct file *file, const char __user *buf,size_t count, loff_t *ppos)
{struct tty_struct *tty = file_tty(file);struct tty_ldisc *ld;ssize_t ret;if (tty_paranoia_check(tty, file_inode(file), "tty_write"))return -EIO;if (!tty || !tty->ops->write ||(test_bit(TTY_IO_ERROR, &tty->flags)))return -EIO;/* Short term debug to catch buggy drivers */if (tty->ops->write_room == NULL)printk(KERN_ERR "tty driver %s lacks a write_room method.\n",tty->driver->name);ld = tty_ldisc_ref_wait(tty);if (!ld->ops->write)ret = -EIO;elseret = do_tty_write(ld->ops->write, tty, file, buf, count);tty_ldisc_deref(ld);return ret;
}

tty_write()所作工作如下：

首先从文件指针中获取 tty_struct 数据结构的指针，表示要写入的 tty 设备。
检查传入的 tty_struct 指针是否有效，以及是否有其他进程正在访问该 tty 设备。如果出现问题，返回输入/输出错误码 -EIO。
检查 tty_struct 指针是否有效、tty 设备是否支持写操作，以及是否已经出现了输入/输出错误。如果出现问题，返回输入/输出错误码 -EIO。
检查 tty 设备是否实现了 write_room 方法，如果没有，则输出错误信息。
获取 tty 设备的线路规则（line discipline），并等待获取成功。
检查线路规则的 write 方法是否存在，如果不存在，返回输入/输出错误码 -EIO。否则，调用 do_tty_write 函数，将数据写入 tty 设备。
释放线路规则引用计数器。
返回写入操作的结果，如果写入成功，则返回写入的字节数；否则，返回相应的错误码。

tty_read

/***	tty_read	-	read method for tty device files*	@file: pointer to tty file*	@buf: user buffer*	@count: size of user buffer*	@ppos: unused**	Perform the read system call function on this terminal device. Checks*	for hung up devices before calling the line discipline method.**	Locking:*		Locks the line discipline internally while needed. Multiple*	read calls may be outstanding in parallel.*/static ssize_t tty_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count,loff_t *ppos)
{int i;struct inode *inode = file_inode(file);struct tty_struct *tty = file_tty(file);struct tty_ldisc *ld;if (tty_paranoia_check(tty, inode, "tty_read"))return -EIO;if (!tty || (test_bit(TTY_IO_ERROR, &tty->flags)))return -EIO;/* We want to wait for the line discipline to sort out in thissituation */ld = tty_ldisc_ref_wait(tty);if (ld->ops->read)i = ld->ops->read(tty, file, buf, count);elsei = -EIO;tty_ldisc_deref(ld);if (i > 0)tty_update_time(&inode->i_atime);return i;
}

tty_read()实现终端设备文件读操作的函数。

获取 tty_struct 结构体、inode 和 line discipline 对象的指针。
调用 tty_paranoia_check() 函数检查 tty_struct 结构体是否可用。如果检查失败，返回 -EIO。
检查 tty_struct 结构体是否为空或者 TTY_IO_ERROR 标志位已经设置。如果是，则返回 -EIO。
获取 line discipline 对象的引用，确保它不会在 tty_read() 函数执行期间被卸载。
检查 line discipline 的 read() 方法是否可用。如果可用，则调用该方法进行读取操作，并将返回的字节数保存在变量 i 中。如果不可用，返回 -EIO。
释放 line discipline 的引用。
如果读取操作成功，调用 tty_update_time() 函数更新 inode 的访问时间。
返回读取的字节数。