打通linux的tty驱动的数据链路

一、首先把tty驱动在linux中的分层结构理清楚：


自上而下分为TTY核心层、TTY线路规程、TTY驱动。
二、TTY核心层与线路规程层分析用户空间的程序直接对tty核心层进行读写等相关操作，在tty_io.c中：int__init tty_init(void)｛ 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'tregister /dev/tty driver\n"); device_create(tty_class,NULL, MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 0), NULL, "tty"); …...｝
以上的一段初始化代码可以获取以下信息：注册了一个字符驱动，用户空间操作对应到tty_fops结构体里的函数：staticconst struct file_operations tty_fops = { .llseek =no_llseek, .read =tty_read, .write =tty_write, .poll =tty_poll, .unlocked_ioctl =tty_ioctl, .compat_ioctl =tty_compat_ioctl, .open =tty_open, .release =tty_release, .fasync =tty_fasync,};对于字符设备驱动，我们知道，读写操作一一对应于fops。
tty_open:static int tty_open(struct inode *inode, struct file *filp)｛ int index; dev_tdevice = inode->i_rdev; structtty_driver *driver; …… driver= get_tty_driver(device, &index); …… tty= tty_init_dev(driver, index, 0); …… retval= tty_add_file(tty, filp); …… if(tty->ops->open) retval= tty->ops->open(tty, filp);｝
get_tty_driver是根据设备号device，通过查找tty_drivers全局链表来查找tty_driver。tty_init_dev是初始化一个tty结构体： tty->driver= driver; tty->ops= driver->ops;并建立线路规程： ldops= tty_ldiscs[N_TTY]; ld->ops= ldops; tty->ldisc= ld;
其实tty_ldiscs[N_TTY]在console_init中确定，该函数在内核启动的时候调用。tty_register_ldisc(N_TTY,&tty_ldisc_N_TTY);则：tty_ldiscs[N_TTY]＝ &tty_ldisc_N_TTY；
struct tty_ldisc_ops tty_ldisc_N_TTY = { .magic = TTY_LDISC_MAGIC, .name = "n_tty", .open = n_tty_open, .close = n_tty_close, .flush_buffer = n_tty_flush_buffer, .chars_in_buffer= n_tty_chars_in_buffer, .read = n_tty_read, .write = n_tty_write, .ioctl = n_tty_ioctl, .set_termios = n_tty_set_termios, .poll = n_tty_poll, .receive_buf = n_tty_receive_buf, .write_wakeup = n_tty_write_wakeup};tty_add_file主要是将tty保存到file的私有变量private_data中。tty->ops->open的调用，实则上就是应用driver->ops->open。这样，我们就从tty核心层到tty驱动层了。
tty_write:static ssize_t tty_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos){ …... ld= tty_ldisc_ref_wait(tty); if(!ld->ops->write) ret= -EIO; else ret= do_tty_write(ld->ops->write, tty, file, buf, count); …...}从以上这个函数里，可以看到tty_write调用路线规程的write函数，所以，我们来看ldisc中的write函数是怎样的。经过一些操作后，最终调用：tty->ops->flush_chars(tty);tty->ops->write(tty,b, nr);显然，这两个函数，都调用了tty_driver操作函数，因为在之前的tty_open函数中有了tty->ops=driver->ops这样的操作。那么这个tty_driver是怎样的呢，在TTY系统中，tty_driver是需要在驱动层注册的。注册的时候就初始化了ops，也就是说，接下来的事情要看tty_driver的了。
tty_read:static ssize_t tty_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos){ …... ld= tty_ldisc_ref_wait(tty); if(ld->ops->read) i= (ld->ops->read)(tty, file, buf, count); else i= -EIO; ……}像tty_write的一样，在tty_read里，也调用了线路规程的对应read函数。不同的是，这个read没有调用tty_driver里ops的read，而是这样：uncopied= copy_from_read_buf(tty, &b, &nr);uncopied+= copy_from_read_buf(tty, &b, &nr);从函数名来看copy_from_read_buf，就是从read_buf这个缓冲区拷贝数据。实际上是在tty->read_buf的末尾tty->read_tail中读取数据。那么read_buf中的数据是怎么来的呢？猜想，那肯定是tty_driver干的事了。
tty_ioctl：long tty_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)｛ …… switch(cmd) { case… ... : …... }｝就是根据cmd的值进行相关操作，有对线路规程操作的，有直接通过tty_driver操作的。
三、TTY驱动层分析接下来看，TTY驱动层是怎样的：TTY驱动层是根据不同的硬件操作来完成相应的操作，这里我们以串口为例。串口作为一个标准的设备，把共性的分离出来，就成了uart层，特性成了serial层。主要是serial层作为一个驱动模块加载。以8250.c为例：static int __init serial8250_init(void)｛ …... serial8250_reg.nr= UART_NR; ret= uart_register_driver(&serial8250_reg); …... serial8250_register_ports(&serial8250_reg,&serial8250_isa_devs->dev); …...｝
#define UART_NR CONFIG_SERIAL_8250_NR_UARTSCONFIG_SERIAL_8250_NR_UARTS是在配置内核的时候定义的，表示支持串口的个数。static struct uart_driver serial8250_reg = { .owner =THIS_MODULE, .driver_name ="serial", .dev_name ="ttyS", .major =TTY_MAJOR, .minor =64, .cons =SERIAL8250_CONSOLE,};在驱动层里有几个重要的数据结构：structuart_driver；structuart_state ；structuart_port；structtty_driver；structtty_port；实际上，理清了这几个结构体的关系，也就理清了TTY驱动层。


uart_register_driver:这个函数主要是向TTY核心层注册一个TTY驱动：retval= tty_register_driver(normal);其中normal是tty_driver。另外，还会对tty_driver和uart_driver之间进行某些赋值和指针连接。我们最关心的是，给tty_driver初始化了操作函数uart_ops，这样，在tty核心层就可以通过uart_ops来对UART层进行操作。serial8250_register_ports：最重要的两个函数：serial8250_isa_init_ports和uart_add_one_portserial8250_isa_init_ports主要的工作是初始化uart_8250_port：开启定时器和初始化uart_port。uart_add_one_port顾名思议，就是为uart_driver增加一个端口，在uart_driver里的state指向NR个slot，然后，这个函数的主要工作就是为slot增加一个port。这样，uart_driver就可以通过port对ops操作函数集进行最底层的操作。现在来分析下连接部分，也就是tty_driver如何工作，如何连接tty核心层（或者ldisc层）和串口层uart_port。关于操作部分主要是uart_ops。uart_open：staticint uart_open(struct tty_struct *tty, struct file *filp){ …... retval= uart_startup(tty, state, 0); ……}staticint uart_startup(struct tty_struct *tty, struct uart_state *state,int init_hw){ …… retval= uport->ops->startup(uport); …...｝调用了uart_port的操作函数ops的startup，在这个函数里作了一些串口初始化的工作，其中有申请接收数据中断或建立超时轮询处理。在startup里面申请了接收数据中断，那么这个中断服务程序就跟读操作密切相关了，从tty核心层的读操作可知，接收到的数据一定是传送到read_buf中的。现在来看是中断服务程序。调用receive_chars来接收数据，在receive_chars中，出现了两个传输数据的函数：tty_insert_flip_char和tty_flip_buffer_push。static inline int tty_insert_flip_char(struct tty_struct *tty, unsigned char ch, char flag){ struct tty_buffer *tb = tty->buf.tail; if(tb && tb->used < tb->size) { tb->flag_buf_ptr[tb->used]= flag; tb->char_buf_ptr[tb->used++]= ch; return1; } return tty_insert_flip_string_flags(tty, &ch, &flag, 1);}当当前的tty_buffer空间不够时调用tty_insert_flip_string_flags，在这个函数里会去查找下一个tty_buffer，并将数据放到下一个tty_buffer的char_buf_ptr里。那么char_buf_ptr的数据怎样与线路规程中的read_buf关联的呢，我们看，在初始化tty_buffer的时候，也就是在tty_buffer_init函数中：void tty_buffer_init(struct tty_struct *tty){ spin_lock_init(&tty->buf.lock); tty->buf.head= NULL; tty->buf.tail= NULL; tty->buf.free= NULL; tty->buf.memory_used= 0; INIT_DELAYED_WORK(&tty->buf.work,flush_to_ldisc);}在函数的最后，初始化了一个工作队列。而这个队列在什么时候调度呢，在驱动层里receive_chars的最后调用了tty_flip_buffer_push这个函数。void tty_flip_buffer_push(struct tty_struct *tty)
{ unsigned long flags;
spin_lock_irqsave(&tty->buf.lock, flags);
if (tty->buf.tail != NULL)
tty->buf.tail->commit = tty->buf.tail->used;
spin_unlock_irqrestore(&tty->buf.lock, flags);

if (tty->low_latency)
flush_to_ldisc(&tty->buf.work.work);
else
schedule_delayed_work(&tty->buf.work, 1);
}那么，在push数据到tty_buffer的时候有两种方式，一种是flush_to_ldisc，另一种就是调度tty缓冲区的工作队列。flush_to_ldisc是队列调用的函数：static void flush_to_ldisc(struct work_struct *work){ …… while((head = tty->buf.head) != NULL) { …... count= head->commit – head->read; …... char_buf= head->char_buf_ptr + head->read; flag_buf= head->flag_buf_ptr + head->read; head->read+= count; disc->ops->receive_buf(tty,char_buf, flag_buf,count); …... } ……}这个函数主要的功能是，从tty_buffer中找到数据缓冲区char_buf_ptr，并将这个缓冲区指针传递给线路规程的操作函数receive_buf。再来看receive_buf：static void n_tty_receive_buf(struct tty_struct *tty, const unsigned char*cp, char *fp, int count){ …… if(tty->real_raw) { …... memcpy(tty->read_buf+ tty->read_head, cp, i); …... }else{ …... switch(flags) { caseTTY_NORMAL: n_tty_receive_char(tty,*p); break; …… } if(tty->ops->flush_chars) tty->ops->flush_chars(tty); …... } …...}从上面这段代码可以看到，if条件成立，明显地是拷贝数据进tty的read_buf；进入else，在正常的状态下会调用n_tty_receive_char，然后会调用put_tty_queue，在这个函数里最终还是把数据拷贝到tty的read_buf中。到此，tty驱动的读操作数据链路基本上连通了。
uart_write：static int uart_write(struct tty_struct *tty, const unsigned char *buf, int count){ …… port= state->uart_port; circ= &state->xmit; …… while(1){ c= CIRC_SPACE_TO_END(circ->head, circ->tail, UART_XMIT_SIZE); …... memcpy(circ->buf+ circ->head, buf, c); …... } …… uart_start(tty); return ret;}上面代码的意思是把要写的数据拷贝到state的缓冲区里。然后调用uart_start。static void __uart_start(struct tty_struct *tty){ struct uart_state *state = tty->driver_data; struct uart_port *port = state->uart_port;
if(!uart_circ_empty(&state->xmit) && state->xmit.buf&& !tty->stopped && !tty->hw_stopped) port->ops->start_tx(port);}调用了uart_port的操作函数集的start_tx。static void serial8250_start_tx(struct uart_port *port){ struct uart_8250_port *up = container_of(port, struct uart_8250_port, port); …… transmit_chars(up); …...}在transmit_chars中会把state->xmit缓冲区的数据写进串口发送数据寄存器，也就是数据到达硬件层。到此，写操作的数据链路也连通。