Linux 虛擬終端顯示中文原理與 CJKTTY 补丁實現：從 VGA 文字模式到 Wayland System Compositor

Linux 虛擬終端 (VT) 長期無法顯示中文，根因在於 **VGA 文字模式僅支援 256 字形** 以及 **fbcon 繼承該限制**。本文深入剖析 VT 架構、硬體抽象層、CJKTTY 補丁實現細節，並展望 Wayland System Compositor 徹底解決終端國際化問題。

核心架構層級

1. TTY 子系統：提供 /dev/tty*、/dev/pts/* 介面，處理行編輯、作業控制 (Ctrl+C)、信號傳遞。
2. 虛擬終端 (VT)：drivers/tty/vt/vt.c，復用單一控制台為 63 個 VT (/dev/tty1-63)，切換時重繪 vc_screenbuf。
3. 控制台驅動：
   • vgacon：VGA 文字模式，直接寫入 0xB8000 顯存，字形來自顯卡 ROM (256 字形)。
   • fbcon：幀緩衝區模式，核心將字形光柵化寫入 /dev/fb0，理論上可支援任意字形，但歷史相容性保留 256 字形限制。

為何 fbcon 也無法顯示中文？

• vc_screenbuf 格式沿用 VGA 文字緩衝：**每字元 2 字節 (屬性 + 字形索引)**，字形索引僅 8 位 (0-255)。
• 繪制時 fbcon_putc 以索引查找 vc_font 位圖字體，字體僅含 256 字形。
• 切換 VT 時 memcpy vc_screenbuf → VGA 顯存 極快，改變緩衝格式會連鎖修改數百處核心代碼。

CJKTTY 補丁實現策略 (Workaround)

1. 保留 vc_screenbuf 格式不變，避免大規模重構。
2. 新增 vc_unicode_screenbuf：緊鄰 vc_screenbuf 分配雙倍空間，每字元 2 字節純 Unicode 碼點，無屬性。
3. 編碼邏輯：
   • ASCII (≤254) 同時寫入兩緩衝。
   • 中文 (>254) 在 vc_screenbuf 寫入 0xFF (左半) / 0xFE (右半) 標記，真實碼點存 vc_unicode_screenbuf。
4. 擴展字體：編譯核心內建 struct console_font 增加 charcount，提供覆蓋 BMP 區的 16x16 點陣字體 (數萬字形)。
5. 修改繪制路徑：font_bits() 輔助函數檢測 0xFF/0xFE，從 vc_unicode_screenbuf 取碼點，從擴展字體取左右半部位圖，調用 fb_pad_aligned_buffer 塊拷貝。
6. 影響文件：drivers/video/console/bitblt.c, fbcon_ccw.c, fbcon_cw.c, fbcon_ub.c 等旋轉/裝飾模式。

虛擬終端的根本不足

• 硬編碼 256 字形、單向左到右書寫、無矢量字體、無複雜佈局 (雙向文本、連字)。
• 核心空間不宜內建龐大字體 (體積、授權、維護)。
• KMS (Kernel Mode Setting) 僅解決模式設定，未解決字形渲染。

Wayland System Compositor：終極解決方案

• 架構反轉：內核不再實現 VT/Console，改由 **用戶空間 System Compositor (Wayland Compositor)** 接管顯示輸出。
• 優勢：
  • 完整 Unicode、矢量字體 (FreeType/HarfBuzz)、雙向文本、複雜腳體佈局。
  • 終端模擬器成為普通 Wayland Client，可自由選擇字體、渲染引擎 (OpenGL/Vulkan/CPU)。
  • 快速用戶切換、動畫、安全隔離 (僅 Compositor 需 root)。
  • XWayland 相容傳統 X11 應用。
• 現狀：Wayland 協議穩定，System Compositor 仍在孵化 (如 wlr-system-compositor、systemd-consoled 提案)，需社群推動。

結語

CJKTTY 是在核心限制下的巧妙妥協；Wayland System Compositor 則是將終端渲染徹底移至用戶空間的正統解法。未來的 Linux 終端，將不再受限於 1980 年代的 VGA 遺產，而是擁抱完整的國際化圖形渲染棧。