TTY设备驱动结构 _串口

本文为你展示基于“串口通信设备”的TTY设备驱动程序内部结构，并讲述这些驱动是如何实现链路层通信协议（包括ppp和slip）的应用。本文的代码基于2.4内核，大部分适用于2.2和2.0[注] 。
注：本文的代码虽然基于2.4内核，但是结构原理在现在内核版本仍然存在。
串口驱动误解
当我们说【串口驱动】的时候，我们第一个想到的东西是/dev/ttyS0，因为它是大家所熟知的串口通信的设备文件（至少在PC系统上如此）。由于/dev/ttyS0是一个字符型的设备文件，大家都以为串口驱动是字符设备驱动，这种推断不能叫错，只是不够准确。【串口驱动】不是一般的字符驱动，有两点可以证明：
串口驱动的“串口”从分类就看出来它是一种特殊的驱动类型，归于字符驱动大类下。
查看 /proc/ ，你会发现ttyS驱动的主设备号是4，这是一个善意的谎言：文本模式控制台设备的主设备号也是4 。事实上，2.0版内核用了一个通用的名字“ttyp”代表主设备号4 。
串口设备之所以与一般的字符设备（比如并口打印机或磁带机）存在不同是因为串口被用来实现高一级的抽象——tty，串口设备为tty设备提供了串行通信信道。tty的名字来源早期的一种串口应用设备——电传打字机（tele-type）。
tty设备驱动子系统
tty设备是什么样的设备呢？tty的概念其实已经被泛化，不只是指处理数字文字（）字符的终端设备，例如基于VGA和帧缓冲式的文本控制台、xterm虚拟终端等。［tty设备驱动子系统］以下图那样的一种结构实现了对tty设备的泛化。某特定tty设备驱动的特殊部分以注册的方式注册入通用的子系统部分，从而实现一支特定tty设备驱动。注册方式的好处是设备驱动的特殊部分可以以内核模块形式（）实现。
【TTY设备驱动结构】 1
图中展示出有三部分是可注册的，串行通信设备驱动（.c）、线路规则（n_tty.c）和［tty设备驱动子系统］本身（.c）。可以这样理解，tty设备是一种特殊的字符设备，所以它需通过［字符设备驱动子系统］（fs/.c）注册自身。［串行通信设备驱动］是不能被用户直接使用的，它必须抽象为一个tty设备，然后配置使用默认的线路规则——n_tty.c，经［tty设备驱动子系统］在系统中注册为字符设备。
由此可见，［tty设备驱动子系统］被划分为三块，数据流从用户空间到串行设备间夹着一层tty 。虽然如此，.c本身只是桥梁，实际的tty操作是线路规则完成，线路规则（line ）是一支定义串口线如何使用的软件模块。Linux默认是线路规则是N_TTY，N_TTY是标准字符终端IO处理规则。
为何如此复杂？

文章插图
这种分层设计看上去就很复杂，有必要吗？复杂的回报是灵活性。当tty设备应用种类纷繁时，很有必要。为新串行设备编写驱动比一般字符设备要复杂，有了这种通用抽象模型，为编写串口设备驱动省下很多功夫。
更重一点是，［tty设备驱动子系统］把线路规则也卸下，进一步的抽象后，线路规则也可替换。这样，串行设备驱动根本不知道数据是从哪来的，它只管收发就行了。
PPP和slip
如果你使用modem（使用PPP链路协议）拨号上网，或者用SLIP互联PC和你的掌上PDA，你就体会到上面提到的复杂性。ppp和SLIP实现了各自的线路规则，当它们中任何一个应用要运行，tty设备必须在它们的线路规则模块间切换，来构造不同的tty设备。
下图展示了SLIP应用的一个概念图。
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有趣的是，SLIP驱动向［tty设备驱动子系统］和［网络子系统］同时注册，前者是线路规则，后者网络设备slip0 。当tty设备切换为后，串行通信数据经TCP/IP协议栈与用户空间通信。当tty设备被切为TCP/IP网络设备后，其它用户进程没法读写基于/dev/ttyS的tty设备。这也说明了为什么网络通道建立后，和 pppd 都不能退出的原因。