linux kernel下输入输出console如何实现
最近工作在调试usb虚拟串口，让其作为kernel启动的调试串口，以及user空间的输入输出控制台。
利用这个机会，学习下printk如何选择往哪个console输出以及user空间下控制台如何选择，记录与此，与大家共享，也方便自己以后翻阅。
Kernel版本号：3.4.55
依照我的思路（还是时间顺序）分了4部分，指定kernel调试console ， kernel下printk console的选择 ，kernel下console的注册，user空间console的选择。
一 指定kernel调试console
首先看kernel启动时如何获取和处理指定的console参数。
kernel的启动参数cmdline可以指定调试console，如指定‘console=ttyS0,115200’,
kernel如何解析cmdline，我之前写了一篇博文如下：
http://blog.csdn.net/skyflying2012/article/details/41142801
根据之前的分析，cmdline中有console=xxx，start_kernel中parse_args遍历.init.setup段所有obs_kernel_param。
kernel/printk.c中注册了‘console=’的解析函数console_setup（注册了obs_kernel_param），所以匹配成功，会调用console_setup来解析，如下：
<span style="font-size:14px;">/*
* Set up a list of consoles. Called from init/main.c
*/
static int __init console_setup(char *str)
{
char buf[sizeof(console_cmdline[0].name) + 4]; /* 4 for index */
char *s, *options, *brl_options = NULL;
int idx;</span><span style="font-size:14px;"><span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">#ifdef CONFIG_A11Y_BRAILLE_CONSOLE</span> </span>
<span style="font-size:14px;"> if (!memcmp(str, "brl,", 4)) {
brl_options = "";
str += 4;
} else if (!memcmp(str, "brl=", 4)) {
brl_options = str + 4;
str = strchr(brl_options, ',');
if (!str) {
printk(KERN_ERR "need port name after brl=\n");
return 1;
}
*(str++) = 0;
}
#endif</span>
<span style="font-size:14px;"> /*
* Decode str into name, index, options.
*/
if (str[0] >= '0' && str[0] <= '9') {
strcpy(buf, "ttyS");
strncpy(buf + 4, str, sizeof(buf) - 5);
} else {
strncpy(buf, str, sizeof(buf) - 1);
}
buf[sizeof(buf) - 1] = 0;
</span><span style="font-size:14px;"> if ((options = strchr(str, ',')) != NULL)
*(options++) = 0;
for (s = buf; *s; s++)
if ((*s >= '0' && *s <= '9') || *s == ',')
break;
idx = simple_strtoul(s, NULL, 10);
*s = 0;
__add_preferred_console(buf, idx, options, brl_options);
console_set_on_cmdline = 1;
return 1;
}
__setup("console=", console_setup);
</span>
参数是console=的值字符串，如“ttyS0,115200”,console_setup对console=参数值做解析，以ttyS0,115200为例，最后buf=“ttyS”，idx=0,options="115200",brl_options=NULL。调用__add_preferred_console如下：
<span style="font-size:14px;">/*
* If exclusive_console is non-NULL then only this console is to be printed to.
*/
static struct console *exclusive_console;
/*
* Array of consoles built from command line options (console=)
*/
struct console_cmdline
{
char name[8]; /* Name of the driver */
int index; /* Minor dev. to use */
char *options; /* Options for the driver */
#ifdef CONFIG_A11Y_BRAILLE_CONSOLE
char *brl_options; /* Options for braille driver */
#endif
};
#define MAX_CMDLINECONSOLES 8
static struct console_cmdline console_cmdline[MAX_CMDLINECONSOLES];
static int selected_console = -1;
static int preferred_console = -1;
int console_set_on_cmdline;
EXPORT_SYMBOL(console_set_on_cmdline);</span><span style="font-size:14px;">........</span>
<span style="font-size:14px;">static int __add_preferred_console(char *name, int idx, char *options,
char *brl_options)
{
struct console_cmdline *c;
int i;
/*
* See if this tty is not yet registered, and
* if we have a slot free.
*/
for (i = 0; i < MAX_CMDLINECONSOLES && console_cmdline[i].name[0]; i++)
if (strcmp(console_cmdline[i].name, name) == 0 &&
console_cmdline[i].index == idx) {
if (!brl_options)
selected_console = i;
return 0;
}
if (i == MAX_CMDLINECONSOLES)
return -E2BIG;
if (!brl_options)
selected_console = i;
c = &console_cmdline[i];
strlcpy(c->name, name, sizeof(c->name));
c->options = options;
#ifdef CONFIG_A11Y_BRAILLE_CONSOLE
c->brl_options = brl_options;
#endif
c->index = idx;
return 0;
}
</span>
kernel利用结构体数组console_cmdline[8],最多可支持8个cmdline传入的console参数。
__add_preferred_console将name idx options保存到数组下一个成员console_cmdline结构体中，如果数组中已有重名，则不添加，并置selected_console为最新添加的console_cmdline的下标号。
比如cmdline中有“console=ttyS0,115200 console=ttyS1,9600”
则在console_cmdline[8]数组中console_cmdline[0]代表ttyS0，console_cmdline[1]代表ttyS1，而selected_console=1.
二 kernel下printk console的选择
kernel下调试信息是通过printk输出，如果要kernel正常打印，则需要搞明白printk怎么选择输出的设备。
关于printk的实现原理，我在刚工作的时候写过一篇博文，kernel版本是2.6.21的，但是原理还是一致的，可供参考：
http://blog.csdn.net/skyflying2012/article/details/7970341
printk首先将输出内容添加到一个kernel缓冲区中，叫log_buf，log_buf相关代码如下：
<span style="font-size:14px;">#define __LOG_BUF_LEN (1 << CONFIG_LOG_BUF_SHIFT)</span>
<span style="font-size:14px;">......</span>
<span style="font-size:14px;">static char __log_buf[__LOG_BUF_LEN]; static char *log_buf = __log_buf; static int log_buf_len = __LOG_BUF_LEN; static unsigned logged_chars; /* Number of chars produced since last read+clear operation */ static int saved_console_loglevel = -1; </span>log_buf的大小由kernel menuconfig配置，我配置的CONFIG_LOG_BUF_SHIFT为17，则log_buf为128k。
printk内容会一直存在log_buf中，log_buf满了之后则会从头在开始存，覆盖掉原来的数据。
根据printk的实现原理，printk最后调用console_unlock实现log_buf数据刷出到指定设备。
这里先不关心printk如何处理log buf数据(比如添加内容级别)，只关心printk如何一步步找到指定的输出设备，根据printk.c代码，可以找到如下线索。
printk->vprintk->console_unlock->call_console_drivers->_call_console_drivers->_call_console_drivers->__call_console_drivers
看线索最底层__call_console_drivers代码。如下：
<span style="font-size:14px;">/*
* Call the console drivers on a range of log_buf
*/
static void __call_console_drivers(unsigned start, unsigned end)
{
struct console *con;
for_each_console(con) {
if (exclusive_console && con != exclusive_console)
continue;
if ((con->flags & CON_ENABLED) && con->write &&
(cpu_online(smp_processor_id()) ||
(con->flags & CON_ANYTIME)))
con->write(con, &LOG_BUF(start), end - start);
}
}
</span>for_each_console定义如下：
<span style="font-size:14px;">/* * for_each_console() allows you to iterate on each console */ #define for_each_console(con) for (con = console_drivers; con != NULL; con = con->next) </span>
遍历console_drivers链表所有console struct，如果有console与exclusive_console一致，则调用console的write方法将log buf中start到end的内容发出。
可以看出execlusive_console就是printk输出指定console。
到这里就很明了了，kernel下每次printk打印，首先存log_buf，然后遍历console_drivers，找到合适console(execlusive_console)，刷出log。
console_drivers链表的成员是哪里来的，谁指定的execulsive_console？接着来看下一部分，kernel下console的注册
三 kernel下console的注册
上面分析可以看出，作为kernel移植最基本的一步，kernel下printk正常输出，最重要的一点是在console_drivers链表中添加console struct。那谁来完成这个工作？
答案是register_console函数，在printk.c中，下面来分析下该函数。
<span style="font-size:14px;">void register_console(struct console *newcon)
{
int i;
unsigned long flags;
struct console *bcon = NULL;
//如果注册的是bootconsole（kernel早期启动打印），需要检查console_drivers中
//没有“real console”也就是说bootconsole必须是第一个注册的console。
if (console_drivers && newcon->flags & CON_BOOT) {
/* find the last or real console */
for_each_console(bcon) {
if (!(bcon->flags & CON_BOOT)) {
printk(KERN_INFO "Too late to register bootconsole %s%d\n",
newcon->name, newcon->index);
return;
}
}
}
if (console_drivers && console_drivers->flags & CON_BOOT)
bcon = console_drivers;
//preferred console为console_cmdline中最后一个console
if (preferred_console < 0 || bcon || !console_drivers)
preferred_console = selected_console;
if (newcon->early_setup)
newcon->early_setup();
if (preferred_console < 0) {
if (newcon->index < 0)
newcon->index = 0;
if (newcon->setup == NULL ||
newcon->setup(newcon, NULL) == 0) {
newcon->flags |= CON_ENABLED;
if (newcon->device) {
newcon->flags |= CON_CONSDEV;
preferred_console = 0;
}
}
}
//检查newcon是否是cmdline指定的console，如果是，则使能并初始化该console
//如果该console还是selected
//console，flags添加CON_CONSDEV
for (i = 0; i < MAX_CMDLINECONSOLES && console_cmdline[i].name[0];
i++) {
if (strcmp(console_cmdline[i].name, newcon->name) != 0)
continue;
if (newcon->index >= 0 &&
newcon->index != console_cmdline[i].index)
continue;
if (newcon->index < 0)
newcon->index = console_cmdline[i].index;
#ifdef CONFIG_A11Y_BRAILLE_CONSOLE
if (console_cmdline[i].brl_options) {
newcon->flags |= CON_BRL;
braille_register_console(newcon,
console_cmdline[i].index,
console_cmdline[i].options,
console_cmdline[i].brl_options);
return;
}
#endif
if (newcon->setup &&
newcon->setup(newcon, console_cmdline[i].options) != 0)
break;
newcon->flags |= CON_ENABLED;
newcon->index = console_cmdline[i].index;
if (i == selected_console) {
newcon->flags |= CON_CONSDEV;
preferred_console = selected_console;
}
break;
}
//该console没有使能，退出
if (!(newcon->flags & CON_ENABLED))
return;
//如果有bootconsole，则newcon不需要输出全部log，因为如果bootconsole和newcon是同一个设备
//则log输出2次
if (bcon && ((newcon->flags & (CON_CONSDEV | CON_BOOT)) == CON_CONSDEV))
newcon->flags &= ~CON_PRINTBUFFER;
//把newcon加入console_drivers链表，对于置位CON_CONSDEV的con，放在链表首
console_lock();
if ((newcon->flags & CON_CONSDEV) || console_drivers == NULL) {
newcon->next = console_drivers;
console_drivers = newcon;
if (newcon->next)
newcon->next->flags &= ~CON_CONSDEV;
} else {
newcon->next = console_drivers->next;
console_drivers->next = newcon;
}
if (newcon->flags & CON_PRINTBUFFER) {
//如果newcon置位PRINTBUFFER,则将log全部刷出
raw_spin_lock_irqsave(&logbuf_lock, flags);
con_start = log_start;
raw_spin_unlock_irqrestore(&logbuf_lock, flags);
//修改printk默认输出的exclusive_console为newcon
exclusive_console = newcon;
}
//解锁console，刷出log
console_unlock();
console_sysfs_notify();
//如果有bootconsole，则unregister
//bootconsole，并告诉使用者现在console切换了
if (bcon &&
((newcon->flags & (CON_CONSDEV | CON_BOOT)) == CON_CONSDEV) &&
!keep_bootcon) {
/* we need to iterate through twice, to make sure we print
* everything out, before we unregister the console(s)
*/
printk(KERN_INFO "console [%s%d] enabled, bootconsole disabled\n",
newcon->name, newcon->index);
for_each_console(bcon)
if (bcon->flags & CON_BOOT)
unregister_console(bcon);
} else {
printk(KERN_INFO "%sconsole [%s%d] enabled\n",
(newcon->flags & CON_BOOT) ? "boot" : "" ,
newcon->name, newcon->index);
}
}</span>该函数对console_drivers进行操作，选择当前printk需要使用哪个console，也就是指定exclusive_console。
boot console和real console差别在于bootconsole注册于kernel启动早期，方便对于kernel早期启动进行调试打印。
那这些console是在哪里调用register_console进行注册的？
bootconsole的注册，如arch/arm/kernel/early_printk.c，是在parse_args参数解析阶段注册bootconsole。
在start_kernel中console_init函数也会遍历.con_initcall.init段中所有注册函数，而这些注册函数也可以来注册bootconsole。
.con_initcall.init段中函数的注册可以使用宏定义console_initcall。这些函数中调用register_console，方便在kernel初期实现printk打印。
realconsole的注册，是在各个driver，如serial加载时完成。
经过上面分析，对于一个新实现的输入输出设备，如果要将其作为kernel下的printk调试输出设备，需要2步：
（1）register console，console struct如下：
<span style="font-size:14px;">struct console {
char name[16];
void (*write)(struct console *, const char *, unsigned);
int (*read)(struct console *, char *, unsigned);
struct tty_driver *(*device)(struct console *, int *);
void (*unblank)(void);
int (*setup)(struct console *, char *);
int (*early_setup)(void);
short flags;
short index;
int cflag;
void *data;
struct console *next;
};
</span>定义一个console，因为kernel调试信息是单向的，没有交互，所以只需要实现write即可，还需要实现setup函数，进行设备初始化（如设置波特率等），以及标志位flags（将所有log刷出），举个例子，如下：
<span style="font-size:14px;">static struct console u_console =
{
.name = "ttyS",
.write = u_console_write,
.setup = u_console_setup,
.flags = CON_PRINTBUFFER,
.index = 0,
.data = &u_reg,
};</span><pre name="code" class="cpp"><span style="font-size:14px;">static int __init
u_console_init(void)
{
register_console(&u_console);
return 0;
}</span>
为了调试方便，可以在console_init调用该函数进行注册，则需要
<span style="font-size:14px;">console_initcall(u_console_init);</span>也可以在kernel加载driver时调用，则需要在driver的probe时调用u_console_init，但是这样只能等driver调register_console之后，console_unlock才将所有log刷出，之前的log都会存在log buf中。
（2）cmdline指定调试console，在kernel的cmdline添加参数console=ttyS0,115200
四 user空间console的选择
用户空间的输入输出依赖于其控制台使用的哪个，这里有很多名词，如控制台，tty，console等，这些名字我也很晕，不用管他们的真正含义，搞嵌入式，直接找到它的实现，搞明白从最上层软件，到最底层硬件，如何操作，还有什么会不清楚呢。
在start_kernel中最后起内核init进程时，如下：
<span style="font-size:14px;"> /* Open the /dev/console on the rootfs, this should never fail */
if (sys_open((const char __user *) "/dev/console", O_RDWR, 0) < 0)
printk(KERN_WARNING "Warning: unable to open an initial console.\n");
(void) sys_dup(0);
(void) sys_dup(0);
</span>去打开console设备，console设备做了控制台。
console设备文件的创建在driver/tty/tty_io.c中，如下：
<span style="font-size:14px;">static const struct file_operations console_fops = {
.llseek = no_llseek,
.read = tty_read,
.write = redirected_tty_write,
.poll = tty_poll,
.unlocked_ioctl = tty_ioctl,
.compat_ioctl = tty_compat_ioctl,
.open = tty_open,
.release = tty_release,
.fasync = tty_fasync,
};</span><pre name="code" class="cpp"><span style="font-size:14px;">int __init tty_init(void)
{
cdev_init(&tty_cdev, &tty_fops);
if (cdev_add(&tty_cdev, MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 0), 1) ||
register_chrdev_region(MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 0), 1, "/dev/tty") < 0)
panic("Couldn't register /dev/tty driver\n");
device_create(tty_class, NULL, MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 0), NULL, "tty");
cdev_init(&console_cdev, &console_fops);
if (cdev_add(&console_cdev, MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 1), 1) ||
register_chrdev_region(MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 1), 1, "/dev/console") < 0)
panic("Couldn't register /dev/console driver\n");
consdev = device_create(tty_class, NULL, MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 1), NULL,
"console");
if (IS_ERR(consdev))
consdev = NULL;
else
WARN_ON(device_create_file(consdev, &dev_attr_active) < 0);
#ifdef CONFIG_VT
vty_init(&console_fops);
#endif
return 0;
}</span>
console的操作函数都是使用的tty的操作函数，看open的实现，如何找到具体的操作设备：
<span style="font-size:14px;">static int tty_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct tty_struct *tty;
int noctty, retval;
struct tty_driver *driver = NULL;
int index;
dev_t device = inode->i_rdev;
unsigned saved_flags = filp->f_flags;
nonseekable_open(inode, filp);
retry_open:
retval = tty_alloc_file(filp);
if (retval)
return -ENOMEM;
noctty = filp->f_flags & O_NOCTTY;
index = -1;
retval = 0;
mutex_lock(&tty_mutex);
tty_lock();
tty = tty_open_current_tty(device, filp);
if (IS_ERR(tty)) {
retval = PTR_ERR(tty);
goto err_unlock;
} else if (!tty) {
driver = tty_lookup_driver(device, filp, &noctty, &index);
if (IS_ERR(driver)) {
retval = PTR_ERR(driver);
goto err_unlock;
}</span><pre name="code" class="cpp"><span style="font-size:14px;"> /* check whether we're reopening an existing tty */
tty = tty_driver_lookup_tty(driver, inode, index);
if (IS_ERR(tty)) {
retval = PTR_ERR(tty);
goto err_unlock;
}
}</span><span style="font-size:14px;">......</span>} 首先tty_open_current_tty找该进程所对应的tty，因为init进程我们并没有制定tty，所以该函数返回NULL。
接下来调用tty_lookup_driver，如下：
<span style="font-size:14px;">static struct tty_driver *tty_lookup_driver(dev_t device, struct file *filp,
int *noctty, int *index)
{
struct tty_driver *driver;
switch (device) {
#ifdef CONFIG_VT
case MKDEV(TTY_MAJOR, 0): {
extern struct tty_driver *console_driver;
driver = tty_driver_kref_get(console_driver);
*index = fg_console;
*noctty = 1;
break;
}
#endif
case MKDEV(TTYAUX_MAJOR, 1): {
struct tty_driver *console_driver = console_device(index);
if (console_driver) {
driver = tty_driver_kref_get(console_driver);
if (driver) {
/* Don't let /dev/console block */
filp->f_flags |= O_NONBLOCK;
*noctty = 1;
break;
}
}
return ERR_PTR(-ENODEV);
}
default:
driver = get_tty_driver(device, index);
if (!driver)
return ERR_PTR(-ENODEV);
break;
}
return driver;
}
</span>console设备文件，次设备号是1，根据代码，会调用console_device来获取对应的tty_driver，如下：
<span style="font-size:14px;">struct tty_driver *console_device(int *index)
{
struct console *c;
struct tty_driver *driver = NULL;
console_lock();
for_each_console(c) {
if (!c->device)
continue;
driver = c->device(c, index);
if (driver)
break;
}
console_unlock();
return driver;
}
</span>又遇到了熟悉的for_each_console，遍历console_drivers链表，对于存在device成员的console，调用device方法，获取tty_driver,退出遍历。
之后对于该console设备的读写操作都是基于该tty_driver。
所有的输入输出设备都会注册tty_driver。
所以，对于一个新实现的输入输出设备，如果想让其即作为kernel的printk输出设备，也作为user空间的控制台，则需要在上面u_console基础上再实现device方法成员，来返回该设备的tty_driver。
总结下，kernel和user空间下都有一个console，关系到kernel下printk的方向和user下printf的方向，实现差别还是很大的。
kernel下的console是输入输出设备driver中实现的简单的输出console，只实现write函数，并且是直接输出到设备。
user空间下的console，实际就是tty的一个例子，所有操作函数都继承与tty，全功能，可以打开 读写 关闭，所以对于console的读写，都是由kernel的tty层来最终发送到设备。
kernel的tty层之下还有ldisc线路规程层，线路规程层之下才是具体设备的driver。
ldisc层处理一些对于控制台来说有意义的输入输出字符，比如输入的crtl+C，输出的‘\n‘进过线路规程会变为’\n\r‘。
所以对于kernel下console的write方法，不要忘记，对于log buf中‘\n‘的处理，实现一个简单的线路规程！
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