linux驱动移植-串口驱动

标签：仿真 tty 串口终端 linux 驱动控制台

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内核版本：linux 5.2.8
根文件系统：busybox 1.25.0
u-boot：2016.05
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一、终端(tty)

1.1 回顾

还记的在Mini2440之uboot移植流程之linux内核启动分析(六)小节中，我们介绍过u-boot在启动linux之前，需要做一些准备工作，比如配置启动参数:

#define CONFIG_BOOTARGS        "root=/dev/mtdblock3 console=ttySAC0,115200 init=/linuxrc"

其中：

root 指定文件系统位置，这里指定为NAND三号分区；
init 指定内核启动后执行的第一个应用程序；
console 指定使用哪个终端，这里的ttySAC0指的就是串口0；

1.2 tty

那什么是tty，tty是Teletype或Teletypewriter 的缩写，原来是指电传打字机，后来这种设备逐渐键盘和显示器取代。不管是电传打字机还是键盘显示器，都是作为计算机的终端设备存在的，所以tty也泛指计算机的终端(terminal)设备。

为了支持这些 tty设备，linux实现了一个叫做tty的子系统。所以 tty既指终端，也指linux的tty子系统，当然 tty还有更丰富(混乱)的含义，这一节我们将会解释。

1.2.1 硬件终端terminal

早期的终端(terminal) 是一台独立于计算机的机器(teletype 即, tty)，大概像下面的样子：

它终端通过线缆与计算机连接，并完成计算机的输入输出功能：

现在物理终端实际上已经灭绝了，我们看到的所有tty都是模拟视频终端，即软件仿真出来的终端。

1.2.2 控制台console

提到终端就不能不提控制台console。控制台的概念与终端含义非常相近，其实现在我们经常用它们表示相同的东西，但是在计算机的早期时代，它们确实是不同的东西。

一些数控设备(比如数控机床)的控制箱，通常会被称为控制台，顾名思义，控制台就是一个直接控制设备的面板，上面有很多控制按钮。

在计算机里，把那套直接连接在电脑上的键盘和显示器就叫做控制台。而终端是通过串口连接上的，不是计算机自身的设备，而控制台是计算机本身就有的设备，一个计算机只有一个控制台。

计算机启动的时候，所有的信息都会显示到控制台上，而不会显示到终端上。这同样说明，控制台是计算机的基本设备，而终端是附加设备。

计算机操作系统中，与终端不相关的信息，比如内核消息，后台服务消息，都可以显示到控制台上，但不会显示到终端上。比如在启动和关闭 linux 系统时，我们可以在控制台上看到很多的内核信息.

现在终端和控制台都由硬件概念，逐渐演化成了软件的概念。简单的说，能直接显示系统消息的那个终端称为控制台，其他的则称为终端(控制台也是一个终端)。或者我们在平时的使用中压根就不区分 linux 中的终端与控制台。

1.2.3 tty设备

从历史上看，终端刚开始就是终端机，配有打印机，键盘，带有一个串口，通过串口传送数据到主机端，然后主机处理完交给终端打印出来。电传打字机(teletype)可以被看作是这类设备的统称，因此终端也被简称为tty(teletype的缩写)。

如下图所示：

其中：

uart驱动：如上图所示，物理终端通过电缆连接到计算机上的 uart(通用异步接收器和发射器)。操作系统中有一个uart驱动程序用于管理字节的物理传输；
行规范：上图中内核中的 Line discipline(行规范)用来提供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)，主要用来支持用户在输入时的行为(比如输错了，需要退格)；
tty驱动：tty驱动用来进行会话管理，并且处理各种终端设备；

uart驱动、行规范和 tty驱动都位于内核中，它们的一端是终端设备，另一端是用户进程。因为在linux下所有的设备都是文件，所以它们三个加在一起被称为 "tty设备"，即我们常说的 tty。

1.2.4 从软件仿真终端到伪终端

后来的终端慢慢演变成了键盘 + 显示器。如果我们要把内容输出到显示器，只要把这些内容写入到显示器对应的tty设备就可以了，然后由tty层负责匹配合适的驱动完成输出，这也是 linux 控制台的工作原理：

图中，tty驱动和行规范的行为与前面的示例类似，但不再有uart或物理终端。相反，软件仿真出视频终端，并最终被渲染到VGA显示器。注意，这里出现了软件仿真终端，它们是运行在内核态的。显示器和 tty1-tty6 都是软件仿真终端：

/dev/tty1-/dev/tty6 是这些仿真终端在文件系统中的表示，程序通过对这些文件的读写实现对仿真终端的读写。

如果我们在用户空间也进行终端仿真，情况会变得更加灵活，下图是xterm及其克隆的工作方式：

为了便于将终端仿真移入用户空间，同时仍保持tty子系统(tty子系统指tty 驱动和行规范)的完整，伪终端被发明了出来(pseudo terminal 或 pty)。伪终端在内核中分为两部分，分别是 master side和在tty驱动中实现的 slave side。注意上图中的 xterm，这是一个运行在用户态的终端仿真程序。

当创建一个伪终端时，会在 /dev/pts 目录下创建一个设备文件：

root@zhengyang:~# tty
/dev/pts/2

如果是通过 PuTTY 等终端仿真程序通过 SSH 的方式远程连接 linux，那么终端仿真程序通过 SSH 与 PTY master side 交换数据。

1.2.5 伪终端

伪终端(pseudo terminal，有时也被称为pty)是指伪终端 master 和伪终端slave 这一对字符设备。其中的 slave 对应 /dev/pts/ 目录下的一个文件，而 master 则在内存中标识为一个文件描述符(fd)。伪终端由终端模拟器提供，终端模拟器是一个运行在用户态的应用程序。

Master 端是更接近用户显示器、键盘的一端，slave端是在虚拟终端上运行的 CLI(Command Line Interface，命令行接口)程序。linux 的伪终端驱动程序，会把 master 端(如键盘)写入的数据转发给 slave 端供程序输入，把程序写入slave端的数据转发给 master 端供(显示器驱动等)读取。请参考下面的示意图：

我们打开的终端桌面程序，比如 GNOME Terminal，其实是一种终端模拟软件。当终端模拟软件运行时，它通过打开/dev/ptmx文件创建了一个伪终端的master和slave对，并让shell 运行在slave端。当用户在终端模拟软件中按下键盘按键时，它产生字节流并写入master 中，shell 进程便可从slave中读取输入；shell 和它的子程序，将输出内容写入slave 中，由终端模拟软件负责将字符打印到窗口中。

伪终端大概有三类使用场景：

像xterm、gnome-terminal 等图形界面的终端模拟软件将键盘和鼠标事件转换为文本输入，并图形化地显示输出内容；
远程shell 应用程序(如 sshd)在客户机上的远程终端和服务器上的伪终端之间中继输入和输出；
多路复用器应用,如 screen 和 tmux。它们把输入和输出从一个终端转播到另一个终端，使文本模式的应用程序从实际的终端上脱离；

linux中为什么要提出伪终端这个概念呢？shell等命令行程序不可以直接从显示器和键盘读取数据吗？
为了同屏运行多个终端模拟器、并实现远程登录，还真不能让shell 直接跨过伪终端这一层。在操作系统的一大思想——虚拟化的指导下，为多个终端模拟器、远程用户分配多个虚拟的终端是有必要的。上图中的shell使用的slave 端就是一个虚拟化的终端。Master 端是模拟用户一端的交互。之所以称为虚拟化的终端，是因为它除了转发数据流外，还要有点终端的样子。