对于Linux内核tty设备的一点理解

1、对于 Linux 内核 tty 设备的一点理解虽然一直做嵌入式 Linux ，宿主机和开发板通信天天都 在用 tty 设备通信，但是其实自己对 TTY 设备及终端的概念 认识几乎是 0。对于 Linux 内核的终端、 tty 、控制台等概念 的认识很模糊。由于在学习的时候碰到了重定向 console 的 问题，所以借机学习下 tty 的知识。以下是我对 tty 的认识总 结，信息来源于网络和内核文档。 参考资料见文章末尾。 tty 一词源于 Teletypes ，或 Teletypewriters ，它是最早出现的 一种终端设备，类似电传打字机， 由 Teletype 公司生产。 最 初 tt

2、y 是指连接到 Unix 系统上的物理或者虚拟终端。终端是 一种字符型设备， 通常使用 tty 来统称各种类型的终端设备。 随着时间的推移，当通过串行口能够建立起终端连接后，这 个名字也用来指任何的串口设备。它还有多种类，例如串口 （ ttySn 、ttySACn 、ttyOn ）、USB 到串口的转换器 （ttyUSBn） ， 还有需要特殊处理才能正常工作的调制解调器（比如传统的 WinModem 类设备）等。 tty 虚拟设备支持虚拟控制台，它 能通过键盘及网络连接或者通过 xterm 会话登录到计算机上。 其实起初终端和控制台都不是个人电脑的概念，而是多人共 用的小型中型大型计算机上的概

3、念。 终端为主机提供了 人机接口，每个人都通过终端使用主机的资源。终端有字符 终端和图形终端两种。一台主机可以连很多终端。 控制 台是一种特殊的人机接口 , 是人控制主机的第一人机接口。 而主机对于控制台的信任度高于其他终端。对此还可以结合内核启动代码中 init 进程打开 /dev/console 和执行两次 sys_dup （ 0），以及标准输入、标 准输出、标准出错，还有就是进程 fork 后的标准输入输出的 复制情况来一起理解。而个人计算机只有控制台 ,没有终端。 当然愿意的话， 可 以在串口上连一两台字符哑终端。 但是 linux 按 POSIX 标准 把个人计算机当成小型机来用 ,

4、在控制台上通过 getty 软件虚 拟了六个字符哑终端（或者叫虚拟控制台终端 tty1-tty6）（ 数 量可以在 /etc/inittab 里自己调整 ） 和一个图型终端 , 在虚拟图 形终端中又可以通过软件 （如 rxvt） 再虚拟无限多个伪终端 （ pts/0 等）。但这全是虚拟的 ,虽然用起来一样 ,但实际上没 有物理实体。所以在个人计算机上 ,只有一个实际的控制台 , 没有终端 ,所有终端都是在控制台上用软件模拟的。 要把个人 计算机当主机再通过串口或网卡外连真正的物理终端也可 以,论成本，谁会怎么做呢。终端按照其自身能力分类，可以 分为： 1、哑终端（瘦客户端）早期的计算机终端是通

5、过串 行 RS-232 通信的， 它只能解释有限数量的控制码 （CR ，LF 等），但没有能力处理执行特殊的转义序列功能（如清行、 清屏或控制光标的位置） 。简单来说就是处理能力有限的终 端机，他们一般基本上只具有和机械电传打字机类似的有限 功能。 这种类型的终端称为哑终端。 现在仍然在现代类 Unix 系统上得到支持，通过设置环境变量 TERM=dumb 。哑终端 有时用来指任何类型的通过 RS-232 连接的传统计算机终端， 不对数据进行本地处理或本地执行用户程序的串行通信终 端。哑终端有时也指功能有限，只有单色文本处理能力或直 接传输每一个键入的字符而不等待主机轮询的公共计算机 终端。

6、2、智能终端（胖客户端）智能终端就是有能力处理 转义序列，也就是说处理能力较强的终端机。Linux 系统的终端设备一般有以下几种： 1、 控制台系统控 制台 /dev/console/dev/console 是系统控制台，是与操作系 统交互的设备。系统所产生的信息会发送到该设备上。平时 我们看到的 PC 只有一个屏幕和键盘，它其实就是控制台。 目前只有在单用户模式下，才允许用户登录控制台 /dev/console （。 可以在单用户模式下输入 tty 命令进行确认） 。 console 有缓冲的概念，为内核提供打印输出。内核把要打 印的内容装入缓冲区 _log_buff ，然后由 consol

7、e 来决定打印 到哪里（比如是 tty0 还是 ttySn 等）。 console 指向激活的终 端。历史上， console 指主机本身的屏幕和键盘，而 tty 指用 电缆链接的其它位置的控制台。某些情况下 console 和 tty0 是一致的，就是当前所使用的是 虚拟终端，也是激活虚拟终端。所以有些资料中称/dev/console 是到 /dev/tty0 的符号链接，但是这样说现在看来是不对的：根据内核文档，在2.1.71 之前， /dev/console根据不同系统设定，符号链接到/dev/tty0 或者其他 tty 上，在 2.1.71 版本之后则完全由内核代码内部控制它的映射。

8、如果一个终端设备要实现 console 功能，必须向内核注册一 个 struct console 结构，一般的串口驱动中都会有。如果设 备要实现 tty 功能，必须要内核的 tty 子系统注册一个 struct tty_driver 结构，注册函数在 drivers/tty/tty_io.c 中。一个设 备可以同时实现 console 和 tty_driver ，一般串口都这么做。 当前控制台： /dev/tty 这是应用程序中的概念，如果当前进 程有控制终端（ Controlling Terminal ），那么 /dev/tty 就是当 前进程控制台的设备文件。对于你登录的shell ， /

9、dev/tty 就是你使用的控制台，设备号是（ 5,0 ）。不过它并不指任何物 理意义上的控制台， /dev/tty 会映射到当前设备 （使用命令“ tty 可以查看它具体对应哪个实际物理控制台设备） 。输出到 /dev/tty 的内容只会显示在当前工作终端上（无论是登录在 ttyn 中还是 pty 中）。你如果在控制台界面下 （即字符界面下） 那么 dev/tty 就是映射到 dev/tty1-6 之间的一个 （取决于你当 前的控制台号） ，但是如果你现在是在图形界面（ Xwindows ），那么你会发现现在的 /dev/tty 映射到的是 /dev/pts 的伪终端 上。/dev/tty有

10、些类似于到实际所使用终端设备的一个联接。 你可以输入命令 “ tty 将，显示当前映射终端如： /dev/tty1 或 者/dev/pts/0等。也可以使用命令“pax ”来查看其他进程与哪个控制终端相连。在当前终端中输入echo “ tekkaman ” > /dev/tty都会直接显示在当前的终端中。 虚拟控制台 /dev/ttyn/dev/ttyn 是进程虚拟控制台，他们共享同一个真实的物理控 制台。如果在进程里打开一个这样的文件且该文件不是其他 进程的控制台时，那该文件就是这个进程的控制台。进程 printf 数据会输出到这里。在 PC 上，用户可以使用 alt+Fn 切换控制台

11、，看起来感觉存在多个屏幕，这种虚拟控制台对 应 tty1n ，其中 ： /dev/tty1 等代表第一个虚拟控制台 例如当使用 ALT+F2 进行切换时，系统的虚拟控制台为 /dev/tty2 ，当前控制台（ /dev/tty ）则指向 /dev/tty2 在 UNIX 系统中，计算机显示器通常被称为控制台 （Console ） 它仿真了类型为 Linux 的一种终端，并且有一些设备特殊文 件与之相关联： tty0 、tty1 、tty2 等。当你在控制台上登录时， 使用的是ttyl。使用Alt+F1 F6组合键时，我们就可以切 换到 tty2 、 tty3 等上面去。你可以登录到不同的虚拟控

12、制台上去，因而可以让系统同时 有几个不同的会话存在。而比较特殊的是 /dev/tty0 ，他代表 当前虚拟控制台，是当前所使用虚拟控制台的一个别名。因 此不管当前正在使用哪个虚拟控制台（注意：这里是虚拟控 制台，不包括伪终端） ，系统信息都会发送到 /dev/tty0 上。只有系统或超级用户 root 可以向 /dev/tty0 进行写操作。 tty0 是系统自动打开的，但不用于用户登录。在 Framebuffer 设 备没有启用的系统中，可以使用 /dev/tty0 访问显卡。2、伪终端 pty（pseudo-tty） 伪终端 （Pseudo Terminal） 是终端的发展，为满足现在需求

13、（比如网络登陆、 xwindow 窗口的管理） 。它是成对出现的逻辑终端设备 （即 master 和 slave 设备 , 对 master 的操作会反映到 slave 上 ）。 它多用于模拟终端程序， 是远程登陆 （telnet 、ssh 、xterm 等） 后创建的控制台设备。 历史上，有两套伪终端软件接口： BSD 接口：较简单， master 为 /dev/ptyp-za-e0-9a-f ;slave 为 /dev/ttyp-za-e0-9a-f ，它们都是配对的出现的。例如 /dev/ptyp3 和 /dev/ttyp3 。但由于在编程时要找到一个合适的 终端需要逐个尝试，所以逐渐被

14、放弃。Unix 98 接口：使用一个 /dev/ptmx 作为 master 设备，在每 次打开操作时会得到一个 master 设备 fd ，并在 /dev/pts/ 目录 下得到一个 slave 设备（如 /dev/pts/3 和 /dev/ptmx ），这样 就避免了逐个尝试的麻烦。由于可能有好几千个用户登陆， 所以 /dev/pts/* 是动态生成的， 不象其他设备文件是构建系统 时就已经产生的硬盘节点 （如果未使用 devfs 、 udev 、mdev 等） 。第一个用户登陆，设备文件为 /dev/pts/0 ，第二个为 /dev/pts/1 ，以此类推。它们并不与实际物理设备直接相关

15、。 现在大多数系统是通过此接口实现 pty 。 我们在 XWindow 下打开的终端或使用 telnet 或 ssh 等方式登录 Linux 主机，此时均通过 pty 设备。例如，如果某人在网上 使用 telnet 程序连接到你的计算机上，则 telnet 程序就可能 会打开 /dev/ptmx 设备获取一个 fd 。此时一个 getty 程序就应 该运行在对应的 /dev/pts/* 上。当 telnet 从远端获取了一个字 符时，该字符就会通过 ptmx 、 pts/* 传递给 getty 程序，而 getty 程序就会通过 pts/* 、ptmx 和 telnet 程序往网络上返回 “

16、login: ”字符串信息这。样， 登录程序与 telnet 程序就通过“伪 终端”进行通信。telnet<->/dev/ptmx(master)<->pts/*(slave)<- ->getty如果一个程序把 pts/* 看作是一个串行端口设备， 则它对该端口的读 /写操作会反映在该逻辑终端设 备对的另一个 /dev/ptmx 上，而 /dev/ptmx 则是另一个程序用 于读写操作的逻辑设备。这样，两个程序就可以通过这种逻 辑设备进行互相交流，这很象是逻辑设备对之间的管道操作。 对于 pts/* ，任何设计成使用一个串行端口设备的程序都可以 使用该逻辑设

17、备。但对于使用 /dev/ptmx 的程序，则需要专 门设计来使用 /dev/ptmx 逻辑设备。 通过使用适当的 软件，就可以把两个甚至多个伪终端设备连接到同一个物理 串行端口上。 实验：1、在 X 下打开一个或 N 个终端窗口 2 、 #ls /dev/pts/*3 、关闭这个 X 下的终端窗口， 再次运行； 比较 两次输出信息就明白了。 输出为 /dev/ptmx /dev/pts/1 存在一 (master) 对多 (slave) 的情况3、串口终端( /dev/ttySn ) 串行端口终端( Serial Port Terminal )是使用计算机串行端口连接的终端设备。计 算机把每

18、个串行端口都看作是一个字符设备。有段时间串行 端口设备通常被称为终端设备，那时它的最大用途就是用来 连接终端，所以这些串行端口所对应的设备名称是 /dev/tts/0(或 /dev/ttySO )、/dev/tts/1 (或 /dev /ttySI )等，设备号分 别是( 4,0 )、( 4,1 )等(对应于 win 系统下的 COM1 、 COM2 等)。若要向一个端口发送数据，可以在命令行上把标准输 出重定向到这些特殊文件名上即可。 例如，在命令 行提示符下键入： echo tekkaman> /dev/ttyS1 会把“ tekkaman ”发送到连接在ttySI (COM2 )端

19、口的设备上。在 2.6 以后的内核中，部分三星芯片(例如 S3C24x0 等) 将串口终端设备节点命名为 ttySACn 。 TI 的 Omap 系列芯片 从 2.6.37 开始芯片自带的 UART 设备开始使用专有的的 omap-uart 驱动，故设备节点命名为 ttyOn ，以区别于使用 8250 驱动时的设备名“ ttySn ”。4、其它类型终端 还针对很多不同的字符设备存在有很多其它种类的终端设 备特殊文件，例如针对 ISDN 设备的 /dev/ttyIn 终端设备等。其实在理解以上概念的时候，如果了解终端的发展历 程，就可以比较容易理解 tty 、终端的概念。所以请大家阅读 最后推荐

20、的 wiki 英文网页，有助于理解上面的概念。当然，内核文档也是必不可少的参考资料，我顺手翻译了一下。 内核文档 /Documentation/devices.txt 翻译节选： * 终端设 备 Terminal, or TTY devices are a special class of character devices. Aterminal device is any device that could act as a controlling terminalfor a session; this includes virtual consoles, serial ports, and

21、pseudoterminals . 终端或这 TTY 设备是一类特殊的字符 设备。一个终端设备是任何对于一个会话可以作为控制终端 的设备。这包括虚拟控制台、串口和伪终端 (PTYs) 。 All terminal devices share a common set of capabilities known as linedisciplines; these include the common terminal line discipline as wellas SLIP and PPP modes.所有终端设备共享一系列常规能力 -线路规程。这包含常见的终端线路规程， 例如 SLIP 和

22、 PPP 模式。 All terminal devices are named similarly; this section explains thenaming and use of the various types of TTYs. Note that the namingconventions include several historical warts; some of these areLinux-specific, some were inherited from other systems, and somereflect Linux outgrowing a borro

23、wed convention. 所有终端设备的命名都比较简单。 本节介绍不同类型 TTY 的命名和用途。注意命名的约定包含了一些历史需求：某些是Linux 特定的，某些是从其他的系统中继承下来的，还有一些则反映了 Linux 从借鉴来的约定中发展而来的。 A hash mark (#) in a device name is used here to indicate a decimalnumber without leading zeroes. 设备名中的( # )标 志用于标识一个不以 0 开头的 10 进制数。 Virtual consoles and the console devic

24、e 虚拟控制台和控制台设备 Virtual consoles are full-screen terminal displays on the system videomonitor. Virtual consoles are named /dev/tty#, with numberingstarting at /dev/tty1; /dev/tty0 is the current virtual console./dev/tty0 is the device that should be used to access the system videocard on those archite

25、ctures for which the frame buffer devices(/dev/fb*) are not applicable. Do not use /dev/consolefor this purpose. 虚拟控制台是在系 统视频监视器上全屏的显示终端。虚拟控制台设备名为 /dev/tty# ，编号开始于 /dev/tty1 。 /dev/tty0 是当前虚拟控制 台。/dev/ttyO在那些帧缓冲设备(/dev/fb* )不适用的构架下可以被用来访问系统显卡。而/dev/console并不用于此目的。The console device, /dev/console, is

26、 the device to which systemmessages should be sent, and on which logins should be permitted insingle-user mode. Starting with Linux 2.1.71, /dev/console is managedby the kernel; for previous versions it should be a symbolic link toeither /dev/tty0, a specific virtual console such as /dev/tty1, or to

27、a serial port primary (tty*, not cu*) device, depending on theconfiguration of the system. 控制台设备 /dev/console 是 一个接受系统信息并在单用户模式下允许登录的设备。从 Linux 2.1.71 开始， /dev/console 由内核管理，而以前的版 本是一个到 /dev/tty0 、一个特定的虚拟控制台 (如 /dev/tty1 ) 或者一个串口主(tty*,非cu*)设备动态链接，这些依赖系统配 置。 Serial ports 串行端口 Serial ports are RS-232

28、 serial ports and any device which simulatesone, either in hardware (such as internal modems) or in software (suchas the ISDN driver.) Under Linux, each serial ports has two devicenames, the primary or callin device and the alternate or callout one.Each kind of device is indicated by a different let

29、ter. For anyletter X, the names of the devices are /dev/ttyX# and /dev/cux#,respectively; for historical reasons, /dev/ttyS# and /dev/ttyC#correspond to /dev/cua# and /dev/cub#. In the future, it should beexpected that multiple letters will be used; all letters will be uppercase for the tty device (

30、e.g. /dev/ttyDP#) and lower case for thecu device (e.g. /dev/cudp#). 串行端口是 RS-232 串口和 任何类似的设备，无论是硬件的(如内部调制解调器)或者软件（如 ISDN 驱动）。在 Linux 下，每个串口有两个设备名， 主要的（ callin 设备）和备用的（ callout 设备），每类设备都 通过不同的字母标识。对于任何字母X，设备名分别是/dev/ttyX# 和 /dev/cux# ；由于历史原因， /dev/ttyS# 和 /dev/ttyC# 对应于 /dev/cua# 和 /dev/cub# 。未来，对于“

31、 tty ”多 字母的名字将会被使用，所有的字母都将是大写（如 /dev/ttyDP# ），对于 cu 设备则使用小写字母 （如 /dev/cudp# ）。 The names /dev/ttyQ# and /dev/cuq# are reserved for local use.名字（/dev/ttyQ#和/dev/cuq# ）保留，用于本地使用。The alternate devices provide for kernel-based exclusion and somewhatdifferent defaults than the primary devices.Their main

32、purpose is toallow the use of serial ports with programs with no inherent or brokensupport for serial ports.Their use is deprecated, and they may beremoved from a future version of Linux. 备用设备提供基于内核的 exclusion 和某些与主要设备不同的默认配置。他们的主要目的是允许 那些对于串口并非内部支持或是有一定问题的程序使用串 口。他们的使用已经过时，他们可能会从未来的 Linux 版本 中删除。 A

33、rbitration of serial ports is provided by the use of lock files withthe names /var/lock/LCK.ttyX#. The contents of the lock file shouldbe the PID of the locking process as an ASCII number. 串口的仲裁是通过锁文件(/var/lock/LCK.ttyX# )来提供的。锁文件的内容应该是锁 定进程 PID 的 ASCII 码。It is common practice to install links such

34、as /dev/modemwhich point to serial ports. In order to ensure proper locking in thepresence of these links, it is recommended that software chasesymlinks and lock all possible names; additionally, it is recommendedthat a lock file be installed with the corresponding alternatedevice. In order to avoid

35、 deadlocks, it is recommended that the locksare acquired in the following order, and released in the reverse: 安装一个例如 /dev/modem 的链接来指向串口是 常见的做法。为了确保适当锁定在这些环节的存在，建议软 件追踪符号并锁定所有可能的名字 ;此外，建议为相应的备用 设备安装一个锁文件。为了避免死锁，建议按以下顺序获取 锁，并按反向的顺序释放： 1. The symbolic link name, if any (/var/lock/LCK.modem) 2. The tty

36、 name(/var/lock/LCK.ttyS2) 3. The alternate device name (/var/lock/LCK.cua2) 1 、符号链接名，如果有 (/var/lock/LCK.modem) 2、“ tty ”/v名7lock/LCK.ttyS2) 3备用设备名 (/var/lock/LCK.cua2)In the case of nested symbolic links, the lock files should beinstalled in the order the symlinks are resolved. 在符号链接嵌套的情况下，锁定 文件应按照

37、符号链接的顺序来安装以解决问题。 Under no circumstances should an application hold a lock while waitingfor another to be released. In addition, applications which attemptto create lock files for the corresponding alternate device namesshould take into account the possibility of being used on a non-serialport TTY, f

38、or which no alternate device would exist. 在任何情况下，应用程序应 该等待另一个程序释放锁后，持有这个锁。此外，试图为相 应的备用设备名创建锁文件的应用程序应考虑被用于非串 口的 TTY 端口的可能性，此时没有备用设备存在。 Pseudoterminals (PTYs) 伪终端( PTYs ) Pseudoterminals, or PTYs, are used to create login sessions or provideother capabilities requiring a TTY line discipline (including

39、 SLIP orPPP capability) to arbitrary data-generation processes. Each PTY hasa master side, named /dev/ptyp-za-e0-9a-f, and a slave side, named/dev/ttyp-za-e0-9a-f. The kernel arbitrates the use of PTYs byallowing each master side to be opened only once. 伪终端 (或 PTYs )用于创建登录会话或提供给其 他需要 tty 线路规程(包括 SLI

40、P 或 PPP 能力)能力以生成 数据的进程。 每个 PTY 有一个主端( /dev/ptyp-za-e0-9a-f ) 和一个从端 ( /dev/ttyp-za-e0-9a-f )。内核通过只允许每个 主端仅允许打开一次来仲裁 PTY 的使用。 Once the master side has been opened, the corresponding slave devicecan be used in the same manner as any TTY device. The master andslave devices are connected by the kernel, generating the equivalentof a bidirectional pipe with TTY capabilities. 一旦主端被