linux tty驱动架构分析

前一阵子移植一个串口驱动，发现linux的驱动构架中，面向对象的思想已经根深蒂固。就比如这串口驱动，代码中经常有一些貌似和串口无关的代码，比如，tty_register_driver等。但我们却删它不得。因为正是这些代码实现了tty core和具体的tty driver（比如串口驱动）的联系和纽带。以前看ldd3，里边有术语tty core和tty driver，当是不清楚各指的是什么，但是后来看了代码，才知道，tty core指的是所有tty类型的驱动的顶层架构，它的代码由内核实现，我们无需修改，代码主要分布在drivers/char下的n_tty.c,tty_io.c等文件中。而tty driver就指具体的设备驱动，比如串口驱动，console驱动等。以下总结只是对tty构架的总体分析，希望对大家有所启发。
tty的架构其实分为三层：
第一层：
tty_core
所有tty类型的驱动的顶层构架，向应用曾提供了统一的接口，应用层的read/write等调用首先会到达这里。此层由内核实现，代码主要分布在
drivers/char目录下的n_tty.c,tty_io.c等文件中
static const 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,
};
每个tty类型的驱动注册时都调用tty_register_driver函数
int tty_register_driver(struct     tty_driver * driver)
{
    ...
    cdev_init(&driver->cdev, &tty_fops);
    ...
}
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);
        //调用到了ldisc层（线路规程）的read函数
    else
        i = -EIO;
    tty_ldisc_deref(ld);
    ...
}
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);
    tty_ldisc_deref(ld);
    return ret;
}
static inline ssize_t do_tty_write(
    ssize_t (*write)(struct tty_struct *, struct file *, const unsigned char *, size_t),
    struct tty_struct *tty,
    struct file *file,
    const char __user *buf,
    size_t count)
{
    ...
    for (;;) {
        size_t size = count;
        if (size > chunk)
            size = chunk;
        ret = -EFAULT;
        if (copy_from_user(tty->write_buf, buf, size))
            break;
        ret = write(tty, file, tty->write_buf, size);
        //调用到了ldisc层的write函数
        if (ret <= 0)
            break;
    ...
}
第二层：线路规程
不同的tty类型的设备，具有不同的线路规程。这一层也由内核实现，主要代码在drivers/char.tty_ldisc.c文件中
从tty_read/tty_write函数可以看出，他们最后调用到了线路规程的read/write函数
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
};
static ssize_t n_tty_write(struct tty_struct *tty, struct file *file,
               const unsigned char *buf, size_t nr)
{
    ...
    add_wait_queue(&tty->write_wait, &wait);//将当前进程放到等待队列中
    while (1) {
        set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
        if (signal_pending(current)) {
            retval = -ERESTARTSYS;
            break;
        }
        //进入此处继续执行的原因可能是被信号打断，而不是条件得到了满足。
        //只有条件得到了满足，我们才会继续，否则，直接返回！
        if (tty_hung_up_p(file) || (tty->link && !tty->link->count)) {
            retval = -EIO;
            break;
        }
        if (O_OPOST(tty) && !(test_bit(TTY_HW_COOK_OUT, &tty->flags))) {
            while (nr > 0) {
                ssize_t num = process_output_block(tty, b, nr);
                if (num < 0) {
                    if (num == -EAGAIN)
                        break;
                    retval = num;
                    goto break_out;
                }
                b += num;
                nr -= num;
                if (nr == 0)
                    break;
                c = *b;
                if (process_output(c, tty) < 0)
                    break;
                b++; nr--;
            }
            if (tty->ops->flush_chars)
                tty->ops->flush_chars(tty);
        } else {
            while (nr > 0) {
                c = tty->ops->write(tty, b, nr);
                //调用到具体的驱动中的write函数
                if (c < 0) {
                    retval = c;
                    goto break_out;
                }
                if (!c)
                    break;
                b += c;
                nr -= c;
            }
        }
        if (!nr)
            break;
        //全部写入，返回
        if (file->f_flags & O_NONBLOCK) {
            retval = -EAGAIN;
            break;
        }
        /*
        假如是以非阻塞的方式打开的，那么也直接返回。否则，让出cpu，等条件满足以后再继续执行。
        */        

        schedule();//执行到这里，当前进程才会真正让出cpu！！！
    }
break_out:
    __set_current_state(TASK_RUNNING);
    remove_wait_queue(&tty->write_wait, &wait);
    ...
}
关于此段代码的具体分析在
http://blog.chinaunix.net/u2/73067/showart.php?id=2241493
这段代码中使用了wait等待队列，为什么要使用等待队列呢？大家想想看，我们在应用层打开一个设备文件的时候，有两种方式，阻塞和非阻塞，非阻塞很简单，不管结果怎样直接返回。但阻塞则有点死皮赖脸的意思，会一直等待，直到操作完成。那write函数的“阻塞”版本在内核里边是怎么实现的呢？就是使用等待队列，只要条件没有得到满足（驱动层调用write函数失败），那么就一直让出cpu，直到条件满足了才会继续执行，并将写操作的结果返回给上层。
通过以上分析，我们也可以得到如下结论：阻塞是在ldisc层也就是线路规程里边实现的。出于代价和操作性的考虑，我们不会再驱动里边实现阻塞类型的write/read函数
上述代码中有一句：
c = tty->ops->write(tty, b, nr);
这句代码调用到了tty_struct结构的ops->write函数。但是tty_struct结构的ops->write和具体的驱动里边定义的write函数有什么关系呢？
tty_open -> tty_init_dev -> initialize_tty_struct
driver/char/tty_io.c
void initialize_tty_struct(struct tty_struct *tty,
        struct tty_driver *driver, int idx)
{
    ...
    tty->ops = driver->ops;
    ...
}
可见，tty设备打开的时候，就将驱动的ops指针赋给了tty设备的结构体tty_struct的ops
这样，tty->ops->write()其实调用到了具体的驱动的write函数，比如，假如是个串口驱动，那么就会调用到串口驱动的write函数！
n_tty_read的操作比较复杂，暂时不讨论，但是它最终也会调用到具体的tty驱动的read函数

第三层：
具体的tty类型的驱动，由我们实现
比如，以下是摘自serial_core.c的一段代码，描述的是串口驱动：
static const struct tty_operations uart_ops = {
    .open        = uart_open,
    .close        = uart_close,
    .write        = uart_write,
    .put_char    = uart_put_char,
    .flush_chars    = uart_flush_chars,
    .write_room    = uart_write_room,
    .chars_in_buffer= uart_chars_in_buffer,
    .flush_buffer    = uart_flush_buffer,
    .ioctl        = uart_ioctl,
    .throttle    = uart_throttle,
    .unthrottle    = uart_unthrottle,
    .send_xchar    = uart_send_xchar,
    .set_termios    = uart_set_termios,
    .set_ldisc    = uart_set_ldisc,
    .stop        = uart_stop,
    .start        = uart_start,
    .hangup        = uart_hangup,
    .break_ctl    = uart_break_ctl,
    .wait_until_sent= uart_wait_until_sent,
#ifdef CONFIG_PROC_FS
    .read_proc    = uart_read_proc,
#endif
    .tiocmget    = uart_tiocmget,
    .tiocmset    = uart_tiocmset,
#ifdef CONFIG_CONSOLE_POLL
    .poll_init    = uart_poll_init,
    .poll_get_char    = uart_poll_get_char,
    .poll_put_char    = uart_poll_put_char,
#endif
};
int uart_register_driver(struct uart_driver *drv)
{
    struct tty_driver *normal = NULL;
    drv->tty_driver = normal;

    normal->owner        = drv->owner;
    normal->driver_name    = drv->driver_name;
    normal->name        = drv->dev_name;
    normal->major        = drv->major;
    normal->minor_start    = drv->minor;
    normal->type        = TTY_DRIVER_TYPE_SERIAL;
    normal->subtype        = SERIAL_TYPE_NORMAL;
    normal->init_termios    = tty_std_termios;
    normal->init_termios.c_cflag = B9600 | CS8 | CREAD | HUPCL | CLOCAL;
    normal->init_termios.c_ispeed = normal->init_termios.c_ospeed = 9600;
    normal->flags        = TTY_DRIVER_REAL_RAW | TTY_DRIVER_DYNAMIC_DEV;
    normal->driver_state    = drv;
    tty_set_operations(normal, &uart_ops);//##
    ...
}
我们主要实现这一层的功能，前两层是kernel中已经实现的，我们仅仅需要套用之。当我们按照tty driver的格式书写这一层驱动，并实现几个必要的函数，这个驱动就可以成功运转了。