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：

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;

#ifdef CONFIG_A11Y_BRAILLE_CONSOLE
    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=
");
            return 1;
        }
        *(str++) = 0;
    }
#endif

    /*
     * 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;
    if ((options = strchr(str, ',')) != NULL)
        *(options++) = 0;
#ifdef __sparc__
    if (!strcmp(str, "ttya"))
        strcpy(buf, "ttyS0");
    if (!strcmp(str, "ttyb"))
        strcpy(buf, "ttyS1");
#endif
    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);

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：

/*
 * 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);
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;
}

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：

#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);

/* Flag: console code may call schedule() */
static int console_may_schedule;

#ifdef CONFIG_PRINTK

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;

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：

/*
 * 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);
    }
}

for_each_console定义如下：

/*
 * for_each_console() allows you to iterate on each console
 */
#define for_each_console(con)
    for (con = console_drivers; con != NULL; con = con->next)

遍历console_drivers链表所有console struct，如果有exclusive_console，则调用与exclusive_console一致console的write，

如果exclusive_console为NULL，则调用所有ENABLE的console的write方法将log buf中start到end的内容发出。

可以看出，execlusive_console来指定printk输出唯一console，如果未指定，则向所有enable的console写。

默认情况下execlusive_console=NULL，所以printk默认是向所有enable的console写！

只有一种情况是指定execlusive_console，就是在console注册时，下面会讲到。

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或所有enable的)，刷出log。

console_drivers链表的成员是哪里来的，谁会指定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。

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
",
                    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(CON_ENABLE)并初始化该console
    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) {
            //如果newcon是cmdline指定的最新的console，则置位CONSDEV
            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register之前的log，因为如果bootconsole和newcon是同一个设备
    //则之前的log就输出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输出的指定唯一exclusive_console为newcon
        //保证将之前的log只输出到newcon
        exclusive_console = newcon;
    }
    //解锁console，刷出log到newcon
    console_unlock();
    console_sysfs_notify();

    //如果有bootconsole，则unregister bootconsole（从console_drivers中删掉）
    //并告诉使用者现在console切换
    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
",
            newcon->name, newcon->index);
        for_each_console(bcon)
            if (bcon->flags & CON_BOOT)
                unregister_console(bcon);
    } else {
        printk(KERN_INFO "%sconsole [%s%d] enabled
",
            (newcon->flags & CON_BOOT) ? "boot" : "" ,
            newcon->name, newcon->index);
    }
}

如果之前注册了bootconsole，则不会将该次register之前的log刷出，防止bootconsole和该次注册的newcon是同一个物理设备时，log打印2次。

如果没有bootconsole，则会指定exclusive_console=newcon，console_unlock时，刷新全部log到该指定exclusive console。

console_unlock结束时会将exclusive_console置NULL，所以exclusive console默认情况下就是NULL。

最后会unregister bootconsole，是将bootconsole从console_drivers中删除，这样之后的printk就不会想bootconsole输出了。

有意思的一个地方是，在unregister bootconsole之前的printk：

printk(KERN_INFO "console [%s%d] enabled, bootconsole disabled
",
            newcon->name, newcon->index);

因为此时bootconsole还没删掉，而newconsole已经加入console_drivers，如果bootconsole和newconsole是同一个物理设备，我们会看到这句printk会出现2次哦！

如果在cmdline指定2个I/O设备，如“console==ttyS0,115200 console=ttyS1,115200”，因ttyS设备都是serial driver中注册的real console，所以会看到kernel的打印分别出现在2个串口上！

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：

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;
};

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：

static struct console u_console =
{
    .name       = "ttyS",
    .write      = u_console_write,
    .setup      = u_console_setup,
    .flags      = CON_PRINTBUFFER,
    .index      = 0,
    .data       = &u_reg,
};static int __init
u_console_init(void)
{
    register_console(&u_console);
    return 0;
}

为了调试方便，可以在console_init调用该函数进行注册，则需要

console_initcall(u_console_init);

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：

/* 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.
");

    (void) sys_dup(0);
    (void) sys_dup(0);

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：

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,
};
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
");
    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
");
    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;
}

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：

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;
        }  /* 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;
        }
    }

}

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：

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;
}

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：

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;
}

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。

那么还有一个问题：

如果cmdline指定2个I/O设备，“console=ttyS0,115200 console=ttyS1,115200”，user空间选择哪个作为console？

用户空间console open时，console_device遍历console_drivers，找到有device成员的console，获取tty_driver，就会退出遍历。

所以哪个console放在console_drivers前面，就会被选择为user空间的console。

在分析register_console时，如果要注册的newcon是cmdline指定的最新的console（i = selected_console），则置位CON_CONSDEV，

而在后面newcon加入console_drivers时，判断该置位，置位CON_CONSDEV,则将newcon加入到console_drivers的链表头，否则插入到后面。

所以这里user空间会选择ttyS1作为用户控件的console！

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‘ ‘进过线路规程会变为’ ‘。

所以对于kernel下console的write方法，不要忘记，对于log buf中' '的处理，实现一个简单的线路规程！

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