Chapter 10.1 - 字符设备驱动程序 总体功能

Created by : Mr Dk.

2019 / 08 / 24 23:41

Ningbo, Zhejiang, China

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在 Linux 0.12 中，字符设备主要包括 控制终端设备 和 串行终端设备。

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10.1 总体功能

10.1.1 终端驱动程序基本原理

终端驱动程序用于控制终端设备，在 终端设备 和 进程 之间传输数据，并对传输的数据进行一定的处理。用户在键盘上键入原始数据，通过驱动程序处理后，传送给一个接收进程；进程向终端发送的数据，在驱动程序处理后，显示到终端屏幕或发送到远程终端。根据驱动程序对待输入、输出数据的方式，终端工作模式分为：

• 规范 (canonical) 模式：使用 行规则函数 对指定字符进行变换
• 非规范 (non-canonical) 模式：行规则函数仅在终端和进程之间传递数据，不进行变换处理

10.1.2 Linux 支持的终端设备类型

终端是一种字符型设备，有很多种类型，使用 tty 来简称各类终端设备 (Teletype 的缩写)。终端设备分为以下类型：

1. 串行端口终端 /dev/ttySn：计算机把每个串口都看作是一个字符设备
2. 伪终端 /dev/ptyp, /dev/ttyp：功能类似一般终端的设备，不与任何终端硬件相关，配对使用 - 主设备 + 从设备；两个程序可以通过逻辑设备互相交流
3. 控制终端 /dev/tty
4. 控制台 /dev/ttyn, /dev/console：计算机显示器
5. 其它类型终端

10.1.3 终端基本数据结构

每个终端设备都有一个 tty_struct 数据结构，保存该设备的所有信息。Linux 内核使用数组 tty_table[] 保存系统中每个终端设备的信息。

struct tty_struct {
    struct termios termios; // 终端 I/O 属性和控制字符数据结构
    int pgrp; // 所属进程组
    int stopped; // 停止标志
    void (*write)(struct tty_struct * tty); // tty 写函数指针
    struct tty_queue read_q; // tty 读队列
    struct tty_queue write_q; // tty 写队列
    struct tty_queue secondary; // tty 辅助队列
};

extern struct tty_struct tty_table[];

Linux 0.12 内核支持三个终端设备：

• 一个控制台设备
• 两个串行终端设备

终端所处理的数据被保存在 3 个 tty_queue 结构的字符缓冲队列中：

struct tty_queue {
    unsigned long data; // ?
    unsigned long head; // 数据头指针
    unsigned long tail; // 数据尾指针
    struct task_struct * proc_list; // 等待缓冲队列的进程列表
    char buf[1024]; // 队列缓冲区
};

每个 tty 字符队列的缓冲区长度为 1K 字节

• 读缓冲队列 read_q 存放来自键盘或串行终端输入的原始字符
• 写缓冲队列 write_q 存放输出到控制台显示屏或串行终端的数据
• 辅助队列 secondary 用于存放从 read_q 中取出并进行 行规则变换 后的数据；转换后，以字符行为单位供应用程序读取使用

当读取用户输入的数据时，中断处理程序只负责把原始字符放入输入缓冲队列。中断处理过程调用的 C 函数 copy_to_cooked() 负责处理字符的变换工作，将 read_q 中的字符经过处理，放入 secondary 中。如果终端设备设置了回显标志 L_ECHO，则也把该字符放入写队列 write_q 中，并调用终端写函数把字符显示在屏幕上。termios 结构保存了设备的所有控制标志：

struct termios {
    unsigned long c_iflag; // 输入模式标志
    unsigned long c_oflag; // 输出模式标志
    unsigned long c_cflag; // 控制模式标志
    unsigned long c_lflag; // 本地模式标志
    unsigned char c_line; // 线路规程 (速率)
    unsigned char c_cc[NCCS]; // 控制字符数组
};

• c_iflag 实现了 POSIX.1 定义的所有 11 个输入标志，终端驱动程序利用这些标志控制如何对输入字符进行变换
• c_oflag - 终端驱动程序使用这些标志控制如何把字符输出到终端上
• c_cflag - 定义串行终端传输特性 - 波特率、字符比特位数、停止位数
• c_lflag - 控制驱动程序与用户的交互
• c_cc[] 数组定义了终端所有可以修改的特殊字符

10.1.4 规范模式和非规范模式

10.1.4.1 规范模式

c_lflag 中的 ICANON 标志置位。此时输入字符会被装配成行，进程以字符行为单位进行读取。一行字符输入后，终端驱动程序立刻返回。行的界定符：

• NL
• EOL
• EOL2
• EOF：会被处理程序删除，其它字符会作为一行的最后一个字符返回给调用程序

10.1.4.2 非规范模式

终端驱动程序不对字符进行处理。输入数据也没有行的概念。终端驱动程序何时返回读进程由 MIN 和 TIME 的值决定 - 位于 c_cc[] 中。

10.1.5 控制台终端和串行终端设备

Linux 0.12 仅支持这两种终端设备：

我的理解是一个用于本地，一个用于远程。因此肯定多了一部分和串口通信相关的代码。而其它部分一定有功能相同的部分。

10.1.5.1 控制台驱动程序

• keyboard.S - 处理用户键入的字符，把它们放入读缓冲队列
• console.c - 实现控制台终端收到代码后的输出处理

用户在键盘上键入一个字符，引发键盘中断响应：INT 33。键盘中断处理程序 从 键盘控制器 读入对应的键盘扫描码，翻译成对应的字符后，放入 tty 读队列 read_q 中。然后调用中断处理程序的 C 函数 do_tty_interrupt。其中调用 行规则函数 copy_to_cooked() 对该字符进行过滤处理，并放入 tty 辅助队列 secondary 和写队列 write_q 中，调用 写控制台函数 con_write() 进行显示操作。整个过程的示意图如图所示：

对于 tty 写操作，终端驱动程序时一个字符一个字符进行处理的。当写缓冲队列 write_q 未满时，程序从用户缓冲区取一个字符，经过处理后放入 write_q 中。当用户数据全部放入 write_q 或此时 write_q 已满，就调用 tty_struct 指定的写函数，将 write_q 中的数据输出到控制台。程序与操作的关系如图所示：

10.1.5.2 串行终端驱动程序

• serial.c：对串行端口进行初始化操作
• rs_io.s：串行终端处理过程

引起系统串行中断的情况：

1. modem 状态发生变化
2. 线路状态发生变化
3. 接收到字符
4. 在 中断允许标志寄存器 中设置了 发送保持寄存器中断允许标志，需要发送字符

对于前两种情况，读取相应的状态寄存器值即可使其复位。接收到字符的情况下，首先把字符放入读缓冲队列中，再调用行规则函数处理后放入辅助队列。对于要发送字符的情况，首先从写缓冲队列尾部取出字符发送出去，再判断写缓冲队列是否为空，若还有字符，则循环执行发送操作。

处理过程：对于一个接在串行端口上的中断，键入的字符通过串行线路传送到主机，引发主机串行口的中断请求。串行口中断处理程序将字符放入串行终端的读缓冲队列中，然后调用中断处理过程中的 C 函数 do_tty_interrupt()，而该函数又会直接调用行规则函数 copy_to_cooked()，对字符进行处理，并放入辅助队列。同时该字符也会被放入写队列，并调用写串口终端的函数 rs_write()，将字符送回串行终端进行回显。

串行终端的 tty_struct 数据结构的写函数是 rs_write()：

• 该函数会取消对 发送保持寄存器 的 空允许中断 的屏蔽
• 发送保持寄存器为空时，引起串行中断的产生
• 串行中断处理过程从写缓冲队列中取出字符，放入发送保持寄存器中
• 一次中断发送一个字符
• 写缓冲队列为空时，屏蔽发送保持寄存器的 空允许中断，从而禁止此类中断的发生

程序与操作的关系如图所示：

10.1.6 终端驱动程序接口

通常，用户通过 文件系统 与设备打交道。每个设备都有一个文件名称，因此在文件系统中占用一个类型为设备的 inode，用户可以直接使用文件系统的系统调用来访问设备。而终端驱动程序需要向文件系统提供调用的接口函数 - 在 tty_io.c 中实现：

• 读终端函数 tty_read()
• 写终端函数 tty_write()
• 行规则函数 copy_to_cooked()

在 tty_ioctl.c 程序中，实现了修改终端参数的输入输出控制函数 tty_ioctl() (修改 termios 结构体)。对于不同的终端设备，可以有不同的行规则程序与之匹配。但 Linux 0.12 中仅有一个行规则函数。