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终端tty、虚拟控制台、FrameBuffer的切换过程详解
Framebuffer Driver Linux console 系统控制台是一个接收所有内核消息和警告，同时用于单用户模式登陆的设备。several devices can be used as system console: a [8]virtual terminal, [9]serial port, [10]USB serial port, [11]VGA in text-mode, [12]framebuffer. 虚拟控制台是一种逻辑上的抽象，物理上还是使用同样的键盘和显示设备。在init进程完成之前，只有 kernel 在运行，控制台是唯一的io通道。init进程起来之后，控制台就可以被 virtual terminals 复用。在每个 virtual terminal 上，都会有一个 getty 进程运行，getty 会自动运行 /bin/login 进程来鉴权，鉴权之后，就会运行一个 command shell。 Linux console和virtual console采用kernel的VT子系统实现，不依赖于用户空间的软件。 linux console 有两个主要的实现：framebuffer 和 text mode 。现代linux发行版一般都采用framebuffer实现。 linux console是个可选的特性，多数embeded linux systems不会使能这个特性。这些系统典型情况下提供一个可选的用户接口（例如基于web的），或者直接引导进入图形用户接口，并以此作为与用户交互的主要接口。 linux console的其它实现包括盲文控制台和串口控制台。 unix中的终端概念 终端是一种字符型设备，它有多种类型，通常使用tty来简称各种类型的终端设备。tty是Teletype的缩写。Teletype是最早出现的一种终端 设备，很象电传打字机（或者说就是?），是由Teletype公司生产的。在Linux系统的设备特殊文件目录/dev/下，终端特殊设备文件一般有以下 几种： 1.串行端口终端（/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。计算机把每个串行端口都看作是一个字符设备。有段时间这些串行端口设备通常被称为终端设备，因为 那时它的最大用途就是用来连接终端。这些串行端口所对应的设备名称是/dev/tts/0（或/dev/ttyS0）、/dev/tts/1（或/dev /ttyS1）等，设备号分别是（4,0）、（4,1）等，分别对应于DOS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 test > /dev/ttyS1会把单词”test”发送到连接在ttyS1（COM2）端口的设备上。 2.伪终端（/dev/pty/） 伪终端（Pseudo Terminal）是成对的逻辑终端设备，例如/dev/ptyp3和/dev/ttyp3（或着在设备文件系统中分别是/dev/pty/m3和 /dev/pty/s3）。它们与实际物理设备并不直接相关。如果一个程序把ttyp3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上面（ttyp3）。而ttyp3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，而其中 一个使用ttyp3的程序则认为自己正在与一个串行端口进行通信。这很象是逻辑设备对之间的管道操作。 对于ttyp3（s3），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备。但对于使用ptyp3的程序，则需要专门设计来使用 ptyp3（m3）逻辑设备。 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程序就可能会开始连接到设备ptyp2（m2）上（一个伪终端端口上）。此 时一个getty程序就应该运行在对应的ttyp2（s2）端口上。当telnet从远端获取了一个字符时，该字符就会通过m2、s2传递给getty程 序，而getty程序就会通过s2、m2和telnet程序往网络上返回”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。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。 在使用设备文件系统（device filesystem）之前，为了得到大量的伪终端设备特殊文件，使用了比较复杂的文件名命名方式。因为只存在16个ttyp（ttyp0—ttypf） 的设备文件，为了得到更多的逻辑设备对，就使用了象q、r、s等字符来代替p。例如，ttys8和ptys8就是一个伪终端设备对。不过这种命名方式目前 仍然在RedHat等Linux系统中使用着。 但Linux系统上的Unix98并不使用上述方法，而使用了”pty master”方式，例如/dev/ptm3。它的对应端则会被自动地创建成/dev/pts/3。这样就可以在需要时提供一个pty伪终端。目录 /dev/pts是一个类型为devpts的文件系统，并且可以在被加载文件系统列表中看到。虽然“文件”/dev/pts/3看上去是设备文件系统中的 一项，但其实它完全是一种不同的文件系统。 3.控制终端（/dev/tty） 如果当前进程有控制终端（Controlling Terminal）的话，那么/dev/tty就是当前进程的控制终端的设备特殊文件。可以使用命令”ps –ax”来查看进程与哪个控制终端相连。对于你登录的shell，/dev/tty就是你使用的终端，设备号是（5,0）。使用命令”tty”可以查看它具体对应哪个实际终端设备。/dev/tty有些类似于到实际所使用终端设备的一个联接。 4.控制台终端（/dev/ttyn, /dev/console） 在Linux系统中，计算机显示器通常被称为控制台终端（Console）。它仿真了类型为Linux的一种终端（TERM=Linux），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tty1。使用Alt+[F1—F6]组合键时，我们就可以切换 到tty2、tty3等上面去。tty1 –tty6等称为虚拟终端，而tty0则是当前所使用虚拟终端的一个别名，系统所产生的信息会发送到该终端上。因此不管当前正在使用哪个虚拟终端，系统信 息都会发送到控制台终端上。 你可以登录到不同的虚拟终端上去，因而可以让系统同时有几个不同的会话期存在。只有系统或超级用户root可以向/dev/tty0进行写操作。 /dev/console 就是tty0 ，tty0则是当前所使用虚拟终端即激活的虚拟终端的一个别名，系统所产生的信息会发送到该终端上，实际上机器只有一个屏幕，也就是我们看到的这个屏幕， 可以理解为console指向激活的那个tty，准确地说是激活的那个tty才将输出显示到console。历史上，console指主机本身的屏幕键 盘，而tty指用电缆链接的其它位置的控制台（仅包含屏幕和键盘）。tty0是系统自动打开的，但不用于用户登录。 sh /dev/ttyS0 2>&1 & linux --- 终端1. 终端的基本概念
在UNIX系统中，用户通过终端登录系统后得到一个Shell进程，这个终端成为Shell进程的控制终端（Controlling Terminal），控制终端是保存在PCB中的信息，而我们知道fork会复制PCB中的信息，因此由Shell进程启动的其它进程的控制终端也是这个终端。默认情况下（没有重定向），每个进程的标准输入、标准输出和标准错误输出都指向控制终端，进程从标准输入读也就是读用户的键盘输入，进程往标准输出或标准错误输出写也就是输出到显示器上。另外，在控制终端输入一些特殊的控制键可以给前台进程发信号，例如Ctrl-C表示SIGINT，Ctrl-\表示SIGQUIT。
每个进程都可以通过一个特殊的设备文件/dev/tty访问它的控制终端。事实上每个终端设备都对应一个不同的设备文件，/dev/tty提供了一个通用的接口，一个进程要访问它的控制终端既可以通过/dev/tty也可以通过该终端设备所对应的设备文件来访问。ttyname函数可以由文件描述符查出对应的文件名，该文件描述符必须指向一个终端设备而不能是任意文件。
----------------------------------------------
#include
#include
int main()
{
printf("fd 0: %s\n", ttyname(0));
printf("fd 1: %s\n", ttyname(1));
printf("fd 2: %s\n", ttyname(2));
return 0;
}
----------------------------------------------
在图形终端窗口下运行这个程序，可能会得到
$ ./a.out
fd 0: /dev/pts/0
fd 1: /dev/pts/0
fd 2: /dev/pts/0
再开一个终端窗口运行这个程序，可能又会得到
$ ./a.out
fd 0: /dev/pts/1
fd 1: /dev/pts/1
fd 2: /dev/pts/1
...
2. 终端登录过程
一台PC通常只有一套键盘和显示器，也就是只有一套终端设备，但是可以通过Ctrl-Alt-F1~Ctrl-Alt-F6切换到6个字符终端，相当于有 6套虚拟的终端设备，它们共用同一套物理终端设备，对应的设备文件分别是/dev/tty1~/dev/tty6，所以称为虚拟终端（Virtual Terminal）。设备文件/dev/tty0表示当前虚拟终端，比如切换到Ctrl-Alt-F1的字符终端时/dev/tty0就表示/dev /tty1，切换到Ctrl-Alt-F2的字符终端时/dev/tty0就表示/dev/tty2，就像/dev/tty一样也是一个通用的接口，但它 不能表示图形终端窗口所对应的终端。
内核中处理终端设备的模块包括硬件驱动程序和线路规程（Line Discipline）。
硬件驱动程序负责读写实际的硬件设备，比如从键盘读入字符和把字符输出到显示器，线路规程像一个过滤器，对于某些特殊字符并不是让它直接通过，而是做特殊处理，比如在键盘上按下Ctrl-Z，对应的字符并不会被用户程序的read读到，而是被线路规程截获，解释成SIGTSTP信号发给前台
进程，通常会使该进程停止。线路规程应该过滤哪些字符和做哪些特殊处理是可以配置的。
终端设备有输入和输出队列缓冲区，如下图所示。
以输入队列为例，从键盘输入的字符经线路规程过滤后进入输入队列，用户程序以先进先出的顺序从队列中读取字符，一般情况下，当输入队列满的时候再输入字符会丢失，同时系统会响铃警报。终端可以配置成回显（Echo）模式，在这种模式下，输入队列中的每个字符既送给用户程序也送给输出队列，因此我们在命令行键入字符时，该字符不仅可以被程序读取，我们也可以同时在屏幕上看到该字符的回显。
现在我们来看终端登录的过程：
1. 系统启动时，init进程根据配置文件/etc/inittab确定需要打开哪些终端。例如配置文件中有这样一行：
1:2345:respawn:/sbin/getty9600 tty1
和/etc/passwd类似，每个字段用:号隔开。开头的1是这一行配置的id，通常要和tty的后缀一致，配置tty2的那一行id就应该是2。第二个字段2345表示运行级别2~5都执行这个配置。最后一个字段/sbin/getty9600tty1是init进程要fork/exec的命令，打开终端/dev/tty1，波特率是9600（波特率只对串口和Modem终端有意义），然后提示用户输入帐号。中间的respawn字段表示init进程会监视getty进程的运行状态，一旦该进程终止，init会再次fork/exec这个命令，所以我们从终端退出登录后会再次提示输入帐号。
2.getty根据命令行参数打开终端设备作为它的控制终端，把文件描述符0、1、2都指向控制终端，然后提示用户输入帐号。用户输入帐号之后，getty的任务就完成了，它再执行login程序：
execle("/bin/login","login", "-p", username, NULL, envp);
3.login程序提示用户输入密码（输入密码期间关闭终端的回显），然后验证帐号密码的正确性。如果密码不正确，login进程终止，init会重新fork/exec一个getty进程。如果密码正确，login程序设置一些环境变量，设置当前工作目录为该用户的主目录，然后执行Shell：
execl("/bin/bash","-bash", NULL);
注意：argv[0]参数的程序名前面加了一个-，这样bash就知道自己是作为登录Shell启动的，执行登录Shell的启动脚本。从getty开始exec到login，再exec到bash，其实都是同一个进程，因此控制终端没变，文件描述符0、1、2也仍然指向控制终端。由于fork会复制PCB信息，所以由Shell启动的其它进程也都是如此。
3. 网络登录过程
虚拟终端或串口终端的数目是有限的，虚拟终端一般就是/dev/tty1~/dev/tty6六个，串口终端的数目也不超过串口的数目。然而网络终端或图形终端窗口的数目却是不受限制的，这是通过伪终端（PseudoTTY）实现的。
一套伪终端由一个主设备（PTYMaster）和一个从设备（PTYSlave）组成。
主设备在概念上相当于键盘和显示器，只不过它不是真正的硬件而是一个内核模块，操作它的也不是用户而是另外一个进程。从设备和上面介绍的/dev/tty1这样的终端设备模块类似，只不过它的底层驱动程序不是访问硬件而是访问主设备。网络终端或图形终端窗口的Shell进程以及它启动的其它进程都会认为自己的控制终端是伪终端从设备。
面以telnet为例说明网络登录和使用伪终端的过程。
1.用户通过telnet客户端连接服务器。如果服务器配置为独立（Standalone）模式，则在服务器监听连接请求是一个telnetd进程，它fork出一个telnetd子进程来服务客户端，父进程仍监听其它连接请求。
2. telnetd子进程打开一个伪终端设备，然后再经过fork一分为二：父进程操作伪终端主设备，
子进程将伪终端从设备作为它的控制终端，并且将文件描述符0、1、2指向控制终端，二者通过伪终端通信，父进程还负责和telnet客户端通信，而子进程负责用户的登录过程，提示输入帐号，然后调用exec变成login进程，提示输入密码，然后调用exec变成Shell进程。这个Shell进程认为自己的控制终端是伪终端从设备，伪终端主设备可以看作键盘显示器等硬件，而操作这个伪终端的“用户”就是父进程telnetd。
3.当用户输入命令时，telnet客户端将用户输入的字符通过网络发给telnetd服务器，由telnetd服务器代表用户将这些字符输入伪终端。Shell进程并不知道自己连接的是伪终端而不是真正的键盘显示器，也不知道操作终端的“用户”其实是telnetd服务器而不是真正的用户。Shell仍然解释执行命令，将标准输出和标准错误输出写到终端设备，这些数据最终由telnetd服务器发回给telnet客户端，然后显示给用户看。
如果telnet客户端和服务器之间的网络延迟较大，我们会观察到按下一个键之后要过几秒钟才能回显到屏幕上。这说明我们每按一个键telnet客户端都会立刻把该字符发送给服务器，然后这个字符经过伪终端主设备和从设备之后被Shell进程读取，同时回显到伪终端从设备，回显的字符再经过伪终端主设备、telnetd服务器和网络发回给telnet客户端，显示给用户看。也许你会觉得吃惊，但真的是这样：每按一个键都要在网络上走个来回！
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