一千零一夜之 Console I/O

這個系列是讀書筆記，作者可能沒有跟主題有關的開發經驗。

當一個程式被執行時，它的 stdin/stdout/stderr 會從父程序繼承。如果沒有特別指定，它們通常會指向同一個諸如 /dev/ttyX 或 /dev/pts/X 的 TTY device。很難不去好奇，當我們 getchar() 或 printf() 時，對一個 TTY device 的 I/O，在 kernel 裡頭會發生什麼事？



口語裡的 console，指的通常是圖中 VT。VT 是 virtual terminal 的縮寫，對 userspace 來說，它就像是一部真實存在著的終端機；在 kernel 裡頭，VT（的功能之一）是一個 TTY driver，它是所有 /dev/ttyX 裝置的驅動程式。對 TTY device 的 I/O 動作，會經由 TTY core 送給 TTY driver。資料往來於 TTY 與 TTY driver 的過程中，或者說圖中連結 TTY 與 VT 的線，被稱做 TTY ldisc，TTY line discipline。

在之前的文章中我們看到鍵盤向 TTY 送出的資料。來自於鍵盤的輸入，可能是特別的按鍵組合，目的並不是讓 userspace 去取得這些輸入。例如，我們會敲下 Ctrl-C 來中斷目前的程式；Ctrl-Z 來暫停目前的程式。又或者，我們不希望輸入的密碼會出現在螢幕上。這些需求都在 line discipline 中被滿足。因為所有的 I/O 都會經由 line discipline，於是它可以在使用者輸入特定字元時，對目前的程式送出 SIGINT 或 SIGTSTP；它也可以選擇是否要把使用者的輸入再 echo 回 VT。從這邊也可以看到，line discipline 不只可以對資料做緩衝與處理，它還被允計針對特定的輸入做特定的行為。當我們從 VT 換到實體的 COM port 時，且當與 COM port 連結的裝置不是終端機，而是數據機時，line discipline 甚至可以拒絕所有來自 userspace 的 I/O，轉而從 PPP network device 與 userspace 做資料交換。實際上，TTY device 只是一個 transport layer，可以跟它連結的裝置千變萬化。line discipline 於是也被設計成可以抽換；當從終端機換成數據機時，line discipline 也從 N_TTY 換成 N_PPP。

跟來自鍵盤的輸入一樣，使用者對 TTY device 寫入的資料，會經過 line discipline，VT，再進入螢幕。在 drivers/char/n_tty.c 的 do_output_char 函數中

switch (c) {
...
case '\r':
 if (O_ONOCR(tty) && tty->column == 0)
  return 0;
 if (O_OCRNL(tty)) {
  c = '\n';
  if (O_ONLRET(tty))
   tty->canon_column = tty->column = 0;
  break;
 }
 tty->canon_column = tty->column = 0;
 break;
case '\t':
 spaces = 8 - (tty->column & 7);
 if (O_TABDLY(tty) == XTABS) {
  if (space <>column += spaces;
  tty->ops->write(tty, "        ", spaces);
  return spaces;
 }
 tty->column += spaces;
 break;
...
}

可以看到 line discipline 會對特殊字元，像是換行符號或 tab 等做排版。更多關於 N_TTY 這個 line discipline 的功能可以參考 stty(1)。

VT 的架構與實體的 terminal 與 host computer 架構是對應的。要把現在手上正在上網的電腦想像成它是 terminal 與 host computer 的組成可能不是那麼容易。一個相對常見、具體的情境，是用一條線把手上的電腦與 wifi router 或手機的 UART console 連結。上圖中的 Computer B 可以理解成手上的電腦，Computer A 則是跑著 linux 的嵌入式系統。