《返璞归真--UNIX技术内幕》--第9章 字符设备驱动

图9-1  KL-11接口示意图

“电传打字机”是在“键盘＋显示器”的输入输出设备出现以前电脑主要的交互式输入输出设备，你可以把它想像成一个上盖带有键盘的打印机，用户所打的字和电脑输出的结果都会在键盘前方的打印输出口上打印出来。“电传打字机”是大型计算机（MAINCOMPUTER）和小型计算机（SMALLCOMPUTER）时代最主要的电脑交互式输入输出设备。

每当用户在键盘上输入一个字符时，纸张上会相应打印出输入的字符。但如果电传打字机工作在行模式下，那么只有当用户键入“回车-换行符”（“\r\n”）时，刚才键入的一行字符才会显示。“回车-换行符”最早也起源于这里，回车是把显示位置移动到本行首，而换行是进纸移动到下一行，这样用户就可以在下一行接着输入了。但UNIX系统中只使用换行符“\n”来代替“回车-换行符”。

图9-2  电传打字机

在打字过程中产生错误时，用户可以键入“删除键”（相当于现在的backspace键）删掉刚刚输入的字符，这时刚才输入的字符就会被黑色的矩形框所覆盖。用户也可以删除整行。

电传打字机不仅可用于本地输入输出，它还可以用于远距离通信。电传既具有电话的快速，又具有打字机的准确，尤其是当电文中有资料时，这种优点表现得特别明显。人们普遍认为，电传这种通信方式，除了具备高效性和精确性之外，还比电报和电话更为便宜。

70年代中期以后，随着显示器设计的成熟，电传打字机就逐渐退出了电脑的世界，而键盘则从中摆脱出来成为了独立的一种设备。现在tty(teletypewriter的缩写)已经成为UNIX中输入输出设备的标准名称（一般输入输出设备名都叫/dev/tty*），尽管它早已失去了最初的含义。

9.1.1  设备特性

顾名思义，KL-11是CPU和外设之间的异步串行接口，它通过众所周知的UART（Universal Asynchronous Receiver-Transmitter）双缓存集成电路实现带有“启动—停止位”数据的“串行←→并行”转换。当向接口上传送数据时，把并行数据转成串行输出；当从接口上读取数据时，把串行数据转成并行。它含有40根引脚，包括输入和输出缓存寄存器。提供字符长度和停止位设置功能，并可以提供每个传输字符的状态信息。它可以在全双工或半双工模式下工作，提供13种不同的波特率，从40b/s～9600b/s不等。为保证传输正确性，它含2位停止位。UART包含接收器和传送器。

接收器用来从外设（这里是电传打字机）接收数据，它实现串行→并行的转换。移除了起始、停止位的字符被存放在接收缓存寄存器（RBUF）中的位7～0。它包含两个操作寄存器：RCSR（接收控制状态寄存器）和RBUF（接收缓存寄存器）。

传送器用来向外设——电传打字机输出字符，它实现并行→串行的转换。它也包含两个操作寄存器TCSR（传送控制状态寄存器）和TBUF（传送缓存寄存器）。这4个操作寄存器在空间上是连续的，地址由低到高依次是：RCSR、RBUF、TCSR和TBUF。

由于系统中可能存在多个KL-11或DL-11连接的终端，这样它们每一个终端都会有自己独立的寄存器空间。对于KL-11或DL-11A/B接口，其第一个接口（unit 0）寄存器起始地址是0o177560；而unit1～15寄存器空间是0o176500～0o176676。对于DL-11C、D和E接口，其unit 0寄存器起始地址位于0o175610，unit1位于0o175620…，直到unit 30位于0o176170。

9.1.2  操作寄存器

1．接收控制状态寄存器（RCSR）

续表 

其中位15～12在KL-11和DL11-A/B上并未使用，值恒为0。可以看出，位5如果被设，则每接收到1位时，就会产生中断；而位6如果被设，则在接收完一个完整字符时，才会产生中断。实际上，UNIX代码只用到了位0、位1、位6和位7。

2．接收缓存寄存器（RBUF）

其中位14～12表示当前字符（位7～0）的状态，程序在读取下一个字符前，没必要清除它们。对于KL-11或DL-11A/B，它们未使用，为0。

3．传送控制状态寄存器（TCSR）

位0不适用于KL-11和DL-11A/B。如果位6被设，则每成功传送1个字符后，会产生输出中断。

4．传送缓存寄存器（TBUF）

电传接口中断优先级为4级，其读取（输入）中断和写入（输出）中断向量不相同，读取中断向量位于地址60处，写入中断向量位于地址64处。下面是其驱动程序的实现。

9.1.3  驱动框架

在电传打字机和其处理进程（比如shell进程）之间，存在着一个缓存，该缓存包括两个部分：输入缓存和输出缓存。输入缓存用于暂存用户输入的字符，最大长度为电传打字机一行输入的字符256个；输出缓存用于暂存输出字符，它可能来自于用户输入回显，或者用户输入命令处理的结果。输入缓存实际上又包含2个：原始字符缓存和正规字符缓存。之所以引入缓存有下列原因：

1．输入的字符中可能包含转义字符，比如‘\r’，它事实上由2个字符‘\’和‘n’组成，所以需要先存储到缓存后再统一做处理。

2．一般在遇到回车符后，进程才处理用户的输入。比如“ls –l”命令，只有当用户在电传打字机上输入回车-换行后，该命令才会被执行。所以这之前需要暂时缓存用户输入一行的字符。因为即使进程接收了换行前的字符，也不能马上作出正确的解析和处理。

3．在用户输入字符时，处理进程未必能够接收该字符，比如它正在进行磁盘访问而挂起等，或者用户采用行模式输入时。这时如果不缓存用户的输入字符，则它在下一次输入时就会丢失，因为RBUF中只能存储1个字符。而在中断服务函数中处理字符也不现实，因为它是一次性的，不能有太长时间的延迟，必须要保证在下一次中断触发前，本次处理完成。

4．在进程向电传打印机输出字符时，如果没有缓存，那么进程就需要等待所有字符都输出完毕后才能够继续处理其他事情，这显然是系统性能上的浪费。而有了输出缓存后，进程可以把待输出字符写到缓存中，启动传送操作后就返回了（实际情况更复杂一点，是为了照顾用户等待结果的感受）。这就提高了系统性能。

原始字符缓存即tty结构中的t_rawq字段（定义在tty.c中），它记录了用户从打字机上输入的原始字符（包括删除符、转义符等）。正规字符缓存则记录了把用户输入的原始字符进行相应处理（删除、转义等）后的字符，它是tty结构中的t_canq字段，进程应该对这里面的字符进行处理。输出缓存则记录了要向终端输出的字符，它是tty结构中的t_outq字段。

变量canonb[CANBSIZ]用于在将t_rawq中的原始字符转换成正规字符的过程中，临时存储使用。它的长度是一行字符的最大长度256。终端输入输出处理流程示意图如图9-4所示。

如图9-4所示，在用户每输入1个字符后，该字符通过KL-11接口被传送到RBUF寄存器中，同时触发输入中断。中断服务函数调用ttyinput把RBUF中的字符复制到缓存tty.t_rawq中，如果符号是行结束符或者进程有处理原始字符的需求，则唤醒处理进程。

如果有进程挂起在上面，则通常是由于它之前调用klread从终端读取字符、而t_rawq中并没有字符引起的。处理进程在被输入中断唤醒后，调用canon从t_rawq中读取字符并转换成正规字符，最后存到t_canq中（比如‘\\’—> ‘\’）。然后处理进程把t_canq中的字符读取到进程空间，进行相应处理。处理完成后，它调用klwrite（其内部实现是调用ttyoutput）输出结果。ttyoutput事实上把字符输出到t_outq缓存。进程然后调用ttstart把字符从t_outq输入到TBUF寄存器中，这样字符就被输出到了终端。在1个字符成功输出后，输出中断被触发，它继续读取t_outq中的字符并输出到TBUF中。周而复始，直到所有字符都被输出到终端。用户就可以看到自己输入命令的执行结果。

另外，如果终端tty结构中的回显标志（ECHO）被设，则输入中断会把RBUF中的字符写入到t_outq中，并调用ttstart把它立即输出到终端，而不管当前有没有进程在处理这些字符（当然通常情况下是有的）。这样用户就能够及时看到自己输入的内容。

如果用户停止输入字符，则t_rawq中就没有新的字符，从而为空，处理进程获知这一点后，就会挂起，并不占用CPU。这是一个好的设计理念。如果用户再次输入字符，则输入中断会唤醒处理进程，处理进程又会读入字符进行处理。这样，一个交互式处理系统就实现了。

下面讲一下tty结构，它是和终端相关的一个很重要的结构，定义在tty.h中。

图9-5  缓存构造示意图

系统中这样的cblock变量一共有100个，记录在cfree数组中。

/* The character lists-- space for 6*NCLIST characters */ 

struct cblock cfree[NCLIST];

 /* List head for unused character blocks. */

struct cblock *cfreelist;

系统初始化时，调用cinit（参见main函数）把它们形成链表记录在cfreelist中，程序每需要一个字符块，就从cfreelist中分配一个cblock指针变量，直到cfreelist为空。比较第8章块缓存的实现可以发现，cfreelist类似于bfreelist。

函数原型：void cinit();

功能描述：把数组c_free中的所有cblock变量都形成链表，记录到cfreelist中。链表头就是cfreelist变量。同时通过判断cdevsw驱动数组判断系统中字符设备的个数，记录到nchrdev中。

参数说明：无。

图9-6  可用字符块链表示意图

下面看看tty结构中的其他成员。

（1）t_flags

它定义终端特性和一些状态。