LINUX下的tty,console与串口,终端设备

LINUX下的tty,console与串口

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节选自 http://lamp.linux.gov.cn/Linux/device_files.html

终端设备

终端(或TTY)设备是一种特殊的字符设备。终端设备是可以在会话中扮演控制终端角色的任何设备，包括：虚拟控制台、串行接口(已废弃)、伪终端(PTY)。

所有的终端设备共享一个通用的功能集合：line discipline，它既包含通用的终端 line discipline 也包含SLIP和PPP模式。所有的终端设备的命名都很相似。这部分内容将解释命名规则和各种类型的TTY(终端)的使用。需要注意的是这些命名习惯包含了几个历史遗留包袱。其中的一些是Linux所特有的，另一些则是继承自其他系统，还有一些反映了Linux在成长过程中抛弃了原来借用自其它系统的一些习惯。井号(#)在设备名里表示一个无前导零的十进制数。
虚拟控制台(Virtual console)和控制台设备(console device)

虚拟控制台是在系统视频监视器上全屏显示的终端。虚拟控制台被命名为编号从 /dev/tty1 开始的 /dev/tty# 。/dev/tty0 是当前虚拟控制台。/dev/tty0 用于在不能使用帧缓冲设备(/dev/fb*)的机器上存取系统视频卡，注意，不要将 /dev/console 用于此目的。/dev/console 由内核管理，系统消息将被发送到这里。单用户模式下必须允许 login 使用 /dev/console 。
串行接口

这里所说的"串行接口"是指 RS-232 串行接口和任何模拟这种接口的设备，不管是在硬件(例如调制解调器)还是在软件(例如ISDN驱动)中模拟。在linux中的每一个串行接口都有两个设备名：主设备或呼入(callin)设备、交替设备或呼出(callout)设备。设备类型之间使用字母的大小写进行区分。比如，对于任意字母X，"tty"设备名为 /dev/ttyX# ，而"cu"设备名则为 /dev/cux# 。由于历史原因，/dev/ttyS# 和 /dev/ttyC# 分别等价于 /dev/cua# 和 /dev/cub# 。名称 /dev/ttyQ# 和 /dev/cuq# 被保留为本地使用。
伪终端(PTY)

伪终端用于创建登陆会话或提供其它功能，比如通过 TTY line discipline (包括SLIP或者PPP功能)来处理任意的数据生成。每一个 PTY 都有一个master端和一个slave端。按照 System V/Unix98 的 PTY 命名方案，所有master端共享同一个 /dev/ptmx 设备节点(打开它内核将自动给出一个未分配的PTY)，所有slave端都位于 /dev/pts 目录下，名为 /dev/pts/# (内核会根据需要自动生成和删除它们)。

一旦master端被打开，相应的slave设备就可以按照与 TTY 设备完全相同的方式使用。master设备与slave设备之间通过内核进行连接，等价于拥有 TTY 功能的双向管道(pipe)。
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公司作一个嵌入式产品，用ARM内核，LINUX操作系统（不是uclinux)。我最近的工作是把一个原来作好的模块（用串口来通信）挂到系统上，通过串口来控制该模块的一系列工作，并要求
作成单独的驱动程序（不是通过应用程序来控制）。同时也想借此熟悉LINUX下设备驱动程序的开发方法。我们买的别的公司的开发板，LINUX现在已经能跑起来，但技术支持和文档基本没有。最近刚开始学习LINUX，算是有了一些了解，但对TTY设备、CONSOLE、串口之间的关系觉得比较混乱。这里有几个问题请教：

1、LINUX下TTY、CONSOLE、串口之间是怎样的层次关系？具体的函数接口是怎样的？串口是如何被调用的？

2、printk函数是把信息发送到控制台上吧？如何让PRINTK把信息通过串口送出？或者说系统在什么地方来决定是将信息送到显示器还是串口？


3、start_kernel中一开始就用到了printk函数（好象是printk(linux_banner什么的），在 这个时候整个内核还没跑起来呢。那这时候的printk是如何被调用的？在我们的系统中，系统启动是用的现代公司的BOOTLOADER程序，后来好象跳到了LINUX下的head-armv.s， 然后跳到start_kernel，在bootloader 里串口已经是可用的了，那么在进入内核后是不是要重新设置？


以上问题可能问的比较乱，因为我自己脑子里也比较乱，主要还是对tty,console,serial之间的关系，特别是串口是如何被调用的没搞清。这方面的资料又比较少（就情景分析中讲了一点），希望
高手能指点一二，非常感谢！
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看到你们的问题后，感觉很有典型性，因此花了点工夫看了一下，做了一些心得贴在这里，欢迎讨论并指正：
1、LINUX下TTY、CONSOLE、串口之间是怎样的层次关系？具体的函数接口是怎样的？串口是如何被调用的？
tty和console这些概念主要是一些虚设备的概念，而串口更多的是指一个真正的设备驱动。
Tty实际是一类终端I/O设备的抽象，它实际上更多的是一个管理的概念，它和tty_ldisc（行规程）和tty_driver（真实设备驱动）组合在一起，目的是向上层的VFS提供一个统一的接口。通过file_operations结构中的tty_ioctl可以对其进行配置。查tty_driver，你将得到n个结果，实际都是相关芯片的驱动。因此，可以得到的结论是（实际情况比这复杂得多）：每个描述tty设备的tty_struct在初始化时必然挂如了某个具体芯片的字符设备驱动（不一定是字符设备驱动），可以是很多，包括显卡或串口chip。不知道你的ARM Soc是那一款，不过看情况你们应该用的是常见的chip，这些驱动实际上都有。
而console是一个缓冲的概念，它的目的有一点类似于tty。实际上console不仅和tty连在一起，还和framebuffer连在一起，具体的原因看下面的键盘的中断处理过程。Tty的一个子集需要使用console(典型的如主设备号4，次设备号1―64)，但是要注意的是没有console的tty是存在的。
而串口则指的是tty_driver。
举个典型的例子：
分析一下键盘的中断处理过程：
keyboard_interrupt―>handle_kbd_event―>handle_keyboard_event―>handle_scancode
void handle_scancode(unsigned char scancode, int down)
{
……..
tty = ttytab? ttytab[fg_console]: NULL;
if (tty && (!tty->driver_data)) {
……………
tty = NULL;
}
………….
schedule_console_callback();
}
这段代码中的两个地方很值得注意，也就是除了获得tty外（通过全局量tty记录），还进行了console 回显schedule_console_callback。Tty和console的关系在此已经很明了！！！

2、printk函数是把信息发送到控制台上吧？如何让PRINTK把信息通过串口送出？或者说系统在什么地方来决定是将信息送到显示器还是串口？
具体看一下printk函数的实现就知道了，printk不一定是将信息往控制台上输出，设置kernel的启动参数可能可以打到将信息送到显示器的效果。
函数前有一段英文，很有意思：
/*This is printk. It can be called from any context. We want it to work.
*
* We try to grab the console_sem. If we succeed, it's easy - we log the output and
* call the console drivers. If we fail to get the semaphore we place the output
* into the log buffer and return. The current holder of the console_sem will
* notice the new output in release_console_sem() and will send it to the
* consoles before releasing the semaphore.
*
* One effect of this deferred printing is that code which calls printk() and
* then changes console_loglevel may break. This is because console_loglevel
* is inspected when the actual printing occurs.
*/
这段英文的要点：要想对console进行操作，必须先要获得console_sem信号量。如果获得console_sem信号量，则可以“log the output and call the console drivers”，反之，则“place the output into the log buffer and return”，实际上，在代码：
asmlinkage int printk(const char *fmt, ...)
{
va_list args;
unsigned long flags;
int printed_len;
char *p;
static char printk_buf[1024];
static int log_level_unknown = 1;
if (oops_in_progress) { /*如果为1情况下，必然是系统发生crush*/
/* If a crash is occurring, make sure we can't deadlock */
spin_lock_init(&logbuf_lock);
/* And make sure that we print immediately */
init_MUTEX(&console_sem);
}
/* This stops the holder of console_sem just where we want him */
spin_lock_irqsave(&logbuf_lock, flags);
/* Emit the output into the temporary buffer */
va_start(args, fmt);
printed_len = vsnprintf(printk_buf, sizeof(printk_buf), fmt, args);/*对传入的buffer进行处理，注意还不是
真正的对终端写，只是对传入的string进行格式解析*/
va_end(args);
/*Copy the output into log_buf. If the caller didn't provide appropriate log level tags, we insert them here*/
/*注释很清楚*/
for (p = printk_buf; *p; p++) {
if (log_level_unknown) {
if (p[0] != '<' || p[1] < '0' || p[1] > '7' || p[2] != '>') {
emit_log_char('<');
emit_log_char(default_message_loglevel + '0');
emit_log_char('>');
}
log_level_unknown = 0;
}
emit_log_char(*p);
if (*p == '\n')
log_level_unknown = 1;
}
if (!arch_consoles_callable()) {
/*On some architectures, the consoles are not usable on secondary CPUs early in the boot process.*/
spin_unlock_irqrestore(&logbuf_lock, flags);
goto out;
}
if (!down_trylock(&console_sem)) {
/*We own the drivers. We can drop the spinlock and let release_console_sem() print the text*/
spin_unlock_irqrestore(&logbuf_lock, flags);
console_may_schedule = 0;
release_console_sem();
} else {
/*Someone else owns the drivers. We drop the spinlock, which allows the semaphore holder to
proceed and to call the console drivers with the output which we just produced.*/
spin_unlock_irqrestore(&logbuf_lock, flags);
}
out:
return printed_len;
}
实际上printk是将format后的string放到了一个buffer中，在适当的时候再加以show,这也回答了在start_kernel中一开始就用到了printk函数的原因

3、start_kernel中一开始就用到了printk函数（好象是printk(linux_banner什么的)，在这个时候整个内核还没跑起来呢。那这时候的printk是如何被调用的？在我们的系统中，系统启动是用的现代公司的BOOTLOADER程序，后来好象跳到了LINUX下的head-armv.s， 然后跳到start_kernel，在bootloader 里串口已经是可用的了，那么在进入内核后是不是要重新设置？
Bootloader一般会做一些基本的初始化，将kernel拷贝物理空间，然后再跳到kernel去执行。可以肯定的是kernel肯定要对串口进行重新设置，原因是Bootloader有很多种，有些不一定对串口进行设置，内核不能依赖于bootloader而存在。
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多谢楼上大侠，分析的很精辟。我正在看printk函数。

我们用的CPU是hynix的hms7202。在评估板上是用串口0作
控制台，所有启动过程中的信息都是通过该串口送出的。
在bootloader中定义了函数ser_printf通过串口进行交互。

但我还是没想明白在跳转到linux内核而console和串口尚未
初始化时printk是如何能够工作的？我看了start_kernel
的过程（并通过超级终端作了一些跟踪），console的初始化
是在console_init函数里，而串口的初始化实际上是在1号
进程里（init->do_basic_setup->do_initcalls->rs_init)，
那么在串口没有初始化以前prink是如何工作的？特别的，在
start_kernel一开始就有printk(linux_banner)，而这时候
串口和console都尚未初始化呢。
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1.在start_kernel一开始就有printk(linux_banner)，而这时候串口和console都尚未初始化?
仔细分析printk可以对该问题进行解答。代码中的：
/* Emit the output into the temporary buffer */
va_start(args, fmt);
printed_len = vsnprintf(printk_buf, sizeof(printk_buf), fmt, args);
va_end(args);
将输入放到了printk_buf中，接下来的
for (p = printk_buf; *p; p++) {
if (log_level_unknown) {
if (p[0] != '<' || p[1] < '0' || p[1] > '7' || p[2] != '>') {
emit_log_char('<');
emit_log_char(default_message_loglevel + '0');
emit_log_char('>');
}
log_level_unknown = 0;
}
emit_log_char(*p);
if (*p == '\n')
log_level_unknown = 1;
}
则将printk_buf中的内容进行解析并放到全局的log_buf（在emit_log_char函数）中。
而下面的
if (!down_trylock(&console_sem)) {
/*
* We own the drivers. We can drop the spinlock and let
* release_console_sem() print the text
*/
spin_unlock_irqrestore(&logbuf_lock, flags);
console_may_schedule = 0;
release_console_sem();
} else {
/*
* Someone else owns the drivers. We drop the spinlock, which
* allows the semaphore holder to proceed and to call the
* console drivers with the output which we just produced.
*/
spin_unlock_irqrestore(&logbuf_lock, flags);
}
则是根据down_trylock(&console_sem)的结果调用release_console_sem()，在release_console_sem()中才真正的对全局的log_buf中的内容相应的console设备驱动进行处理。
至此，可以得到如下的一些结论：
（1）printk的主操作实际上还是针对一个buffer(log_buf),该buffer中的内容是否显示（或者说向终端输出），则要看是否可以获得console_sem。
（2）printk所在的文件为printk.c，是和体系结构无关的，因此对任何平台都一样。
可以推测的结论是：
（1）kernel在初始化时将console_sem标为了locked，因此在start_kernel一开始的printk(linux_banner)中实际只将输入写入了缓冲，等在串口和console初始化后，对printk的调用才一次将缓冲中的内容向串口和console输出。
（2）在串口和console的初始化过程中，必然有对console_sem的up操作。
（3）因此，在embedded的调试中，如果在console的初始化之前系统出了问题，不会有任何的输出。唯一可以使用的只能是led或jtag了。
（4）因此，你的问题可以看出解答。

2.console的初始化.
不知道你用的是那一个内核版本，在我看的2.4.18和2.4.19中，都是在start_kernel中就对console进行的初始化。从前面的分析来看，console的初始化不应该太晚，否则log_buf有可能溢出。
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多谢楼上，分析的很精彩！

我们用的内核版本是2.4.18，console的初始化确实是在
start_kernel->console->init。

关于tty和串口，我这里还想再问一下。tty设备的操作的总入口
是

static struct file_operations tty_fops = {
llseek: no_llseek,
read: tty_read,
write: tty_write,
poll: tty_poll,
ioctl: tty_ioctl,
open: tty_open,
release: tty_release,
fasync: tty_fasync,
};

而对串口的操作定义在：

static struct tty_driver serial_driver 这个结构中。

serial.c中的多数函数都是填充serial_driver中的函数指针。

那么在对串口操作时，应该是先调用tty_fops中的操作（比如
tty_open等），然后再分流到具体的串口操作（rs_open等）吧？
但tty_driver（对串口就是serial_driver)中有很多函数指针
并不跟file_operations中的函数指针对应，不知道这些对应
不上的操作是如何被执行的？比如put_char,flush_char,read_proc,
write_proc,start,stop等。
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以下是我对这个问题的一些理解：
这实际上还是回到原先的老问题，即tty和tty_driver之间的关系。从实现上看，tty_driver实际上是tty机制的实现组件之一，借用面向对象设计中的常用例子，这时的tty_driver就象是tty这部汽车的轮胎，tty这部汽车要正常运行，还要tty_ldisc（行规程），termios，甚至struct tq_struct tq_hangup（看tty_struct）等基础设施。它们之间的关系并非继承。
至于tty_driver中的函数指针，再打个C++中的比喻，它们实际上很象虚函数，也就是说，可以定义它们，但并不一定实现它们。实际上还不用说tty_driver，只要查一下serial_driver都会发现n多个具体的实现，但对各个具体的设备，其tty_driver中的函数不一定全部实现。所以put_char,flush_char,read_proc, write_proc,start,stop这些函数的情况是有可能实现，也有可能不实现。即使被实现，也不一定为上层(VFS层)所用。