tty
由于串口的缘故，TTY是Linux系统中最普遍的一类设备，稍微了解Linux系统的同学，对它都不陌生。尽管如此，相信很少有人能回到这样的问题：TTY到底是什么东西？我们常常挂在嘴边的终端（terminal）、控制台（console）等概念，到底是什么意思？
本文是Linux TTY framework分析文章的第一篇，将带着上述疑问，介绍TTY有关的基本概念，为后续的TTY软件框架的分析，以及Linux serial subsystem的分析，打好基础。
- 终端（terminal）
2.1 基本概念
在计算机或者通信系统中，终端是一个电子（或电气）设备，用于向系统输入数据（input），或者将系统接收到的数据显示出来（output），即我们常说的“人机交互设备”。
关于终端最典型的例子，就是电传打字机（Teletype）[1][2]—-一种基于电报技术的远距离信息传送器械。电传打字机通常由键盘、收发报器和印字机构等组成。发报时，按下某一字符键，就能将该字符的电码信号自动发送到信道（input）；收报时，能自动接收来自信道的电码信号，并打印出相应的字符（output）。
2.2 Unix终端
在计算机的世界里，键盘和显示器，是最常用的终端设备，一个用于向计算机输入信息，一个用于显示计算机的输出信息。
在大型机(mainframe)和小型机(minicomputer)的时代里，终端设备和计算机主机都同属一个整体。但到PC时代，情况发生了变化。Unix创始人肯•汤普逊和丹尼斯•里奇想让Unix成为一个多用户系统。多用户系统意味着要给每个用户配置一个终端，每个用户都要有一个显示器、一个键盘。但当时所有的计算机设备(包括显示器)价格都非常昂贵，而且键盘和主机是集成在一起的，根本没有独立的键盘。
最后他们找到了一样东西，那就是ASR33电传打字机。虽然电传打字机的用途是在电报线路上收发电报，但是它也可以作为人与计算机的接口，而且价格低廉。ASR33打字机的键盘用来输入信息，打印纸用来输出信息。所以他们把ASR33电传打字机作为终端，很多个ASR33连接到同一个主机，每个用户都可以在终端输入用户名和密码登录主机。这样他们创造了计算机历史上的第一个真正的多用户系统Unix，而ASR33成为第一个Unix终端。
2.3 TTY设备
由上面的介绍可知，第一个Unix终端是一个名字为ASR33的电传打字机，而电传打字机的英文单词为Teletype（或Teletypewritter），缩写为TTY。因此，该终端设备也被称为TTY设备。这就是TTY这个名称的来源，当然，在现在的Unix/Linux系统中，TTY设备已经演变为不同的意义了，后面我们会介绍演变的过程。
注1：读到这里，希望读者再仔细思索一下“设备”的概念。ASR33的电传打字机本身是一个硬件设备，在Unix/Linux系统中，这个硬件设备被抽象为“TTY设备”。
2.4 串口终端（Serials Terminal）
早期的TTY终端（这里暂时特指电传打字机），一般通过串口和Unix设备连接的，如下所示：
tty_teletype
然后，正如你我所熟知的，我们可以把上面红色部分（电传打字机），替换为任意的具有键盘、显示器、串口的硬件设备（如另一台PC），如下：
tty_any
因此，对Unix/Linux系统来说，只要是通过串口连接的设备，都可以作为终端设备，因而不再需要关注具体的终端形态。久而久之，终端设备、TTY设备、串口设备等概念，逐渐混在一起，就不再区分了，总结来说，在当今的Linux系统中：
1）TTY设备就是终端设备，终端设备就是TTY设备，无需区分。
2）所有的串口设备都是TTY设备。
3）当然，除了串口设备，也发展出来了其它形式的TTY设备，例如虚拟终端（VT）、伪终端（Pseudo Terminal）等等，这些概念本文就不展开描述了，后续会使用专门的文章分析。
- 控制台（console）
了解了终端和TTY的概念之后，再来看看另一个比较熟悉的概念：console。
回到Unix系统刚刚支持多用户（2.2小节的描述）的时代，此时的PC有一个自带的、昂贵的终端（自身的键盘、显示器等），另外为了支持多用户，可以通过串口线连接多个TTY终端（Teletype）。为了彰显自带终端崇高的江湖地位，人们称它为console。
当然，“江湖地位”之说，纯属玩笑，不过从console的中文翻译—–控制台，可以看出，自带终端（console）有别于TTY终端的地方如下：
1）控制台（console）是昂贵的。
2）控制台（console）比TTY终端拥有更多的权限，例如用户建立、密码更改、权限分配等等，这也是“控制”的意义所在。
3）系统的运行日志、出错信息等内容，通常只会输出到控制台（console）终端中，以方便管理员进行“控制”和“管理”。
不过，随着计算机技术的发展、操作系统的改进，控制台（console）终端和普通TTY终端的界限越来越模糊，console能做的事情，普通终端也都能做了。因此，console逐渐退化，以至于在当前的Linux系统中，它仅仅保留了第三点“日志输出”的功能，这就是Linux TTY framework中console的概念
在Linux kernel中，TTY就是各类终端（Terminal）的简称。为了简化终端的使用，以及终端驱动程序的编写，Linux kernel抽象出了TTY framework：对上，向应用程序提供使用终端的统一接口；对下，提供编写终端驱动程序（如serial driver）的统一框架。
本文是Linux TTY framework分析的第二篇文章，将从整体架构的角度，介绍Linux TTY framework，以便分解出功能相对独立的子模块，以便后续的分析。
- 软件架构
Linux kernel TTY framework位于“drivers/tty”目录中
和Linux其它的framework类似，TTY framework通过TTY core屏蔽TTY有关的技术细节，对上以字符设备的形式向应用程序提供统一接口，对下以TTY device/TTY driver的形式提供驱动程序的编写框架。具体请参考后续章节介绍。
2.1 TTY Core
TTY core是TTY framework的核心逻辑，功能包括：
1）以字符设备的形式，向用户空间提供访问TTY设备的接口，例如：
设备号(主, 次) 字符设备 备注
(5, 0) /dev/tty 控制终端（Controlling Terminal）
(5, 1) /dev/console 控制台终端（Console Terminal）
(4, 0) /dev/vc/0 or /dev/tty0 虚拟终端（Virtual Terminal）
(4, 1) /dev/vc/1 or /dev/tty1 同上
… … …
(x, x) /dev/ttyS0 串口终端（名称和设备号由驱动自行决定）
… … …
(x, x) /dev/ttyUSB0 USB转串口终端
… … …
注1：控制终端、控制台终端、虚拟终端等概念，比较抽象，我会在后续的文章中详细介绍。
2）通过设备模型中的struct device结构抽象TTY设备，并通过struct tty_driver抽象该设备的驱动，并提供相应的register接口。TTY驱动程序的编写，简化为填充并注册相应的struct tty_driver结构。
注2：TTY framework弱化了TTY设备（图片1中使用虚线框标注）的概念，通常情况下，可以在注册TTY驱动的时候，自动分配并注册TTY设备。
3）使用struct tty_struct、struct tty_port等数据结构，从逻辑上抽象TTY设备及其“组件”，以实现硬件无关的逻辑。
4）抽象出名称为线路规程（Line Disciplines）的模块，在向TTY硬件发送数据之前，以及从TTY设备接收数据之后，进行相应的处理（如特殊字符的转换等）。
2.2 System Console Core
Linux kernel的system console主要有两个功能：
1）向系统提供控制台终端（Console Terminal） ，以便让用户登录进行交互操作。
2）提供printk功能，以便kernel代码进行日志输出。
System console core模块使用struct console结构抽象system console功能，具体的driver不需要关心console的内部逻辑，填充该接口并注册给kernel即可。
2.3 TTY Line Disciplines
线路规程（Line Disciplines）在TTY framework中是一个非常优雅的设计，我们可以把它看成设备驱动和应用接口之间的一个适配层。从字面意思理解，就是辅助TTY driver，将我们通过TTY设备键入的字符转换成一行一行的数据[3]，当然，实际情况远比这复杂，例如在蜗窝x project所使用的kernel版本中，存在如下的Line Disciplines（以n_为前缀，我们后续的文章会更为详细的介绍）：
pengo@DESKTOP-CH8SB7C:~/work/xprj/linux$ ls drivers/tty/n_*
drivers/tty/n_gsm.c drivers/tty/n_r3964.c drivers/tty/n_tracesink.c drivers/tty/n_tty.c
drivers/tty/n_hdlc.c drivers/tty/n_tracerouter.c drivers/tty/n_tracesink.h
2.4 TTY Drivers以及System Console Drivers
最后，对内核以及驱动工程师来说，更关注的还是具体的TTY设备驱动。在kernel为我们搭建的如此beauty的框架下面，编写相应的driver就成为一件比较简单的事情了。当然的kernel中，主要的TTY driver有两类：
1）虚拟终端（Virtual Terminal，VT）驱动，位于drivers/tty/vt中，负责实现VT（后续文章会详细介绍）有关的功能。
2）串口终端驱动，也即我们所熟知的serial subsystem（话说终于到重点了，哈哈），位于drivers/tty/serial中。
- 总结
本文对Linux TTY framework的软件框架作了一个简单的介绍，目的是从整体上了解Linux TTY有关的软件实现。基于本文的描述，后续计划从如下角度继续TTY framework的分析：
控制终端、控制台终端、虚拟终端等概念的理解及解释；
TTY core的分析；
System Console Core的分析；
Serial subsystem（串口子系统）的分析；
虚拟终端（VT）的分析；
常用线路规程（Line Disciplines）的介绍和分析；
等等。
可以毫不夸张的说，我们在使用Linux系统的过程中，每时每刻都在和TTY打交道，显示输出、键盘输入、用户登录、shell终端、等等。
与此同时，作为软件工程师的我们，也会或多或少的困惑：这些习以为常的行为，怎么和kernel中的这些冷冰冰的代码联系起来的？
因此，在Linux TTY framework分析工作正式开始之前，让我们带着上面的疑问，以这些熟悉的应用场景为视角，进一步理解TTY有关的概念。这就是本文的目的。
- 再谈终端（Terminal）设备
我们在“Linux TTY framework(1)_基本概念”中简单的提过，终端设备是指那些帮助我们和计算机进行人机交互的设备，所谓的人机交互，可简单的总结为：
输入（input），向计算机发送指令；
输出（output），计算机将执行结果显示出来。
与此同时，关于输入/输出，可提出如下疑问（为了简单，将输入、输出看作一个统一的整体，即终端）：
输入、输出设备是什么？
计算机怎么接收和输出？
人怎么接收和输出（这个就不用回答了，大家都知道，呵呵）。
关于这两个疑问，下面我们分别讨论。
2.1 终端的类型
根据不同的输入、输出设备类型，我们常见的终端有如下几类：
1）控制台终端（console）
这类终端的输入设备通常是键盘，输出设备通常是显示器；
输入、输出设备通过各类总线直接和计算机相连；
“终端”其实是这些设备的一个逻辑抽象。
2）虚拟终端（VT）
控制台终端的输出设备（显示器）一般只有一个，同一时刻由一个应用程序独占；
但在多任务的操作环境中，有时需要在将终端切换给另一个应用程序之前，保留当前应用在终端上的输出，以方便后面查看；
因此Unix/Linux系统在控制台终端的基础上，又虚拟出来6个终端—-称作虚拟终端，不同的应用程序可以在这些虚拟终端上独立的输出，在需要的时候，可以通过键盘的组合键（CTRL+ALT+ F1~F6）将某一个虚拟终端调出来在屏幕上显示。
3）串口终端（TTY）
这是正牌的TTY设备：
输入设备和输出设备集成在一个独立的硬件上（称作TTY设备），这个硬件和计算机通过串口连接；
输入设备（键盘）的输入动作，将会转换为串口上的RX数据包（以计算机为视角），发送给计算机；
计算机的输出会以TX数据包的形式发送给TTY设备，TTY设备转换后在输出设备（屏幕）上显示。
4）软件终端
这是我们现在最常用的终端：
既然人机交互的数据流可以封装后经过串口传输，那么终端设备的形式就不再受限了，只要可以接收用户的输入并打包通过串口发送给计算机，以及接收计算机从串口发来的输出并显示出来，任何设备都可以变成终端设备，例如另一台计算机；
当另一台计算机被当作终端设备时，通常不会把它的所有资源都用来和对端进行人机交互，常用的方法是，在这个计算机上利用软件，模拟出来一个“终端设备”。该软件就像一个中间商：从键盘接收用户输入，然后控制串口发送给对端；从串口接收对端的输出，然后在软件界面上显示出来；
平时大家经常使用的PuTTY、SecureCRT、Windows超级终端、等等，都是“软件终端”。
5）USB、网络等终端
既然串口可以作为人机交互数据的传说媒介，其它通信接口一样可以，例如USB、Ethernet、等等，其原理和串口终端完全一样，这里不再过多说明。
6）图形终端
前面所介绍的那些终端，人机交互的输出界面都是字符界面，随着计算机技术的发展，GUI界面慢慢出现并成为主流，这些通过GUI交互的形式，也可以称作图形终端。不过这已经超出了TTY framework系列文章的讨论范围了，因为TTY的势力范围只涵盖字符界面。
2.2 输入和输出
首先声明，这里的输入和输出，都是针对计算机设备而言。
另外，计算机是一个硬件设备，它本身没有输入和输出的自主意识，因此，输入和输出，都是指运行在计算机中的软件，所谓的人机交互，其实是人和一个个的软件交互。
以Linux系统为例：
kernel会通过控制台终端输出日志信息（printk）；
kernel启动之后，init进程会打开控制台终端，以便和我们交互（接收一些指令并应答、输出日志信息、等等）；
随后，getty应用可以打开任意的终端设备，和我们交互，以便我们可以登入系统；
登入系统之后，getty将终端的控制权交给shell（bash、sh等等），我们与之交互，进行着愉快的人机对话，巴拉巴拉……
当然，在人机对话的过程中，我们可以命令shell启动其它的应用，例如地图应用，该应用可能会打开另一个TTY设备（例如GPS UART），并与之交互（由此可见，上面提到的人机交互其实是狭隘的概念，也可以机机交互~~）；
等等，等等。
- 软件视角
讲完概念，我们还是要回到软件上来，厘清Linux TTY framework中的那些奇怪概念。
注1：建议读者结合“Linux TTY framework框架[1]”阅读本节内容。
3.1 console driver
Linux系统中可以存在多个种类各异的终端设备，工程师会使用一个个的TTY driver（struct tty_driver）驱动它们。如果某些我们需要让某些终端作为控制台终端，可以基于TTY driver，创建对应的console driver，并注册给kernel。
关于console driver，kernel有如下的策略：
1）可以同时注册多个console driver，并有选择的使用。
2）可以在kernel启动的时候，通过命令行（或者后来的device tree），告诉kernel使用哪个或者哪些控制台终端。例如：
console=”/dev/ttyS0”, console=”/dev/ttyUSB0”
3）对kernel的日志输出来说，可以在所有被选中的控制台终端上输出。
4）后续可用作人机交互的控制台终端只能有一个（后指定的那个）。
3.2 控制台终端（/dev/console）
前面提到过，控制台终端只能有一个（最后指定的那个），那么“/dev/console”又是怎么回事呢？
了解linux kernel启动过程的同学都知道，kernel启动的后期，会在kernel_init线程（最后会退化为init进程）中打开控制台终端。但是由上面3.1小节的介绍可知，控制台终端的类型、名称是五花八门的，怎么让kernel的核心代码无视这些差异呢？这就是“/dev/console”的存在意义：
由“Linux TTY framework(2)_软件架构[2]”中的介绍可知，/dev/console的设备号固定为(5, 1) ，当init线程打开该设备的时候，TTY core会问system console core：喂，哪一个终端适合做控制台终端啊？
因此，最终打开的是那个具体的、可以当作控制台终端的设备，而“/dev/console”，仅仅是一个占位坑，如下图所示：
dev_console
3.3 虚拟终端（/dev/ttyN）
正如其名，虚拟终端是虚拟出来的一个终端，不对应具体的设备（屏幕和键盘）。应用程序可以打开某一个虚拟终端，以便和人进行交互。
对应用程序而言，这个终端和具体的物理终端，没有任何区别（应用程序也无法区分）。而对整个系统来说，由于物理资源（键盘和屏幕）只有一套，因此同一时刻只能和某一个虚拟终端对接。从另一个角度看，各个虚拟终端轮流使用物理资源和人进行交互，如下所示：
vt
3.4 伪终端(Pseudo Terminal，pty)
前面提到过，既然串口（serial）可用作终端和计算机之间的数据传输通道，那么其它诸如Ethernet的通信介质，也可以实现类似的功能。但这里面有一个问题（以网络为例）：
Linux系统中的网络驱动，并不是以TTY的形式提供API（众所周知，网络使用socket接口）。因此，系统中的应用程序，无法直接打开网络设备，进而和对应的终端设备通信。怎么办？
解决方案就是伪终端（英文为Pseudo Terminal，简称pty）。字面上理解，伪终端根本不是终端（虚拟终端好歹还是），是为了让应用程序可以从网络等非串口类的接口上，和终端设备交互而伪造出来的一种东西。它的原理如下：
pty由pts(pseudo-terminal slave)和ptm(pseudo-terminal master)两部分组成。
pts伪造出一个标准的TTY设备，应用程序可以直接访问。应用程序向pts写入的数据，会直接反映到ptm上，同样，应用程序从pts读数据，则相当于直接从ptm读取。
而pym，则根据具体情况，具体实现。例如：要通过网络接口和终端设备交互，则pym需要打开对应的socket，将pts写来的数据，从socket送出，将从socket读取的数据，送回给pts。
有了伪终端，Unix/Linux系统中的终端设备就可以脱离具体的物理限制，可以是任何形态，例如在GUI环境中，使用Terminal软件（如xterm）模拟出来的终端，其原理为：
用户启动xterm等Terminal软件的时候，该软件会生成一对pts和ptm，同时执行shell应用；
Terminal软件会将pts交给shell应用，shell应用傻傻分不清，还以为它是一个标准的TTY设备呢，欢快的运行了；
shell从pts读入数据，相当于从ptm读入；shell向pts输出数据，相当于向ptm写入；这是由TTY framework自动完成的，不需要Terminal软件关心；
在另一端，Terminal软件将会从ptm读取数据（实际上是shell通过pts写入的数据），并显示在自己的GUI窗口上；于此同时，Terminal软件会从自己的GUI窗口接收用户输入，并通过pts转给shell，太完美了。
上面提到了有关伪终端的两个例子，其示意图图下：
pty
3.5 控制终端（control terminal，/dev/tty）
讲到控制终端（control terminal），就不得不提Unix/Linux的Job control[3]功能。有关job control，感兴趣的读者可以参考其它文章（如[3]），这里简单总结如下：
1）job control是Unix/Linux shell（记住，shell是一个应用程序）中的概念，是shell用来管理、控制jobs的一种方法。
2）job是进程组（process group[4]）在shell中的体现。换句话说，shell借用进程组实现了job。
3）进程组（或者job，在本文中可以等同，后面不在区分）是多个进程的组合。
基于上面简单的知识（不一定准确，但不影响我们对控制终端的理解），我们引入控制终端的概念：
1）通常情况下，Linux启动后，终端（以后都用TTY指代）的控制权会交给shell（一种应用程序）。所谓的控制权，就是指shell程序可以通过TTY读取终端的输入，以及通过TTY向终端输出。
2）通过shell，可以启动其它的应用程序，相应地，应用程序在需要的时候也会获得TTY的控制权。
3）同一时刻，只能有一个应用可以占有TTY，即只有一个应用可以通过TTY输入、输出。
4）那个占有TTY、可以进行输入输出的应用，称作前台应用。相应的，不能进行输入输出的应用，称作后台应用。因此，shell中只有一个前台应用，可以有多个后台应用。
5）然后，问题就来了：如果某个后台应用，就是想输入输出，怎么办？有一个办法，就是通过控制终端（control terminal）。
6）控制终端在Linux中的名称固定为/dev/tty, 设备号为(5, 0)，作用和/dev/console类似，进程可以通过TTY core提供的ioctl，选择控制终端所对应的实际的终端设备。
7）暂且抛开前台应用不谈（因为人家有TTY设备），对于那些后台应用，如果想输入输出，可以读取或者写入控制终端。此时，一般情况下，TTY core会向后台应用发送SIGTTIN(读取控制终端时) 或者 SIGTTOU（写入控制终端时）信号，这会终止该后台应用。
8）不过，shell会重设收到 SIGTTOU信号时的行为，于是，后台应用写入的内容，可以通过控制终端显示出来。
