linux驱动开发笔记_ioctl函数

1.相关概念

ioctl 是设备驱动程序中设备控制接口函数。某些设备除了打开、关闭、读出和写入功能外,可能还有其它的功能,比如说设置串口波特率、设置马达的转速等等。

1.用户空间函数

include

long (unlocked_ioctl) (struct file , unsigned int, unsigned long);
long (compat_ioctl) (struct file , unsigned int, unsigned long);
1
2
unlocked_ioctl,顾名思义,应该在无大内核锁(BKL)的情况下调用;
compat 全称 compatible(兼容的),主要目的是为 64 位系统提供 32 位 ioctl 的兼容方法,也是在无大内核锁的情况下调用。
其中第二个参数是 cmd 从用户空间无改变的传过来的,第三个参数是传过来的用户空间的可寻址地址;

  1. ioctl中的cmd(交互协议)

交互协议,就是用户空间和驱动程序之间达成的一致性协议。需要完成什么功能都在这个协议中得到包含。cmd是一个32位的数据,其中不同的位置代表了不同的段。

在内核当中,有对于生成ioctl命令相关的宏,可以很方便直接生成cmd:

#define _IOC(dir,type,nr,size) \
(((dir) << _IOC_DIRSHIFT) | \
((type) << _IOC_TYPESHIFT) | \
((nr) << _IOC_NRSHIFT) | \
((size) << _IOC_SIZESHIFT))

define _IOC_NRSHIFT 0

define _IOC_TYPESHIFT (_IOC_NRSHIFT+_IOC_NRBITS)

define _IOC_SIZESHIFT (_IOC_TYPESHIFT+_IOC_TYPEBITS)

define _IOC_DIRSHIFT (_IOC_SIZESHIFT+_IOC_SIZEBITS)

define _IOC_NRBITS 8

define _IOC_TYPEBITS 8

define _IOC_SIZEBITS 14

1.dir(direction), ioctl命令的访问模式。定义数据的传输方向。可以为 _IOC_NONE 、 _IOC_READ、 _IOC_WRITE、 _IOC_READ|_IOC_WRITE。分别代表了无数据、读数据、写数据、读写数据。读写是从用户空间来看的,写是往驱动写,读是往用户读。
2.type(device type),设备类型,有些地方叫做 幻数 。可以为任意的char类型的字符。比如说设置为 ‘a’ , ‘b’ , ‘ D’等等。主要作用是使 ioctl 命令有唯一的设备标识;
3. nr(number),命令编号/序数,占据 8 bit,可以为任意 unsigned char 型数据,取值范围 0~255,如果定义了多个 ioctl 命令,通常从 0 开始编号递增;
4. size涉及到 ioctl 函数 第三个参数 arg ,占据 13bit 或者 14bit(体系相关,arm 架构一般为 14 位),指定了 arg 的数据类型及长度,如果在驱动的 ioctl 实现中不检查,通常可以忽略该参数;

为了更加方便的使用,在上述宏定义的基础上又衍生出了更加方便的ioctl命令:

define _IO(type,nr) _IOC(_IOC_NONE,(type),(nr),0)

define _IOR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))

define _IOW(type,nr,size) _IOC(_IOC_WRITE,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))

define _IOWR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))

1
2
3
4
_IO: 定义不带参数的 ioctl 命令
_IOW: 定义带写参数的 ioctl 命令(copy_from_user)
_IOR: 定义带读参数的ioctl命令(copy_to_user)
_IOWR: 定义带读写参数的 ioctl 命令
在内核驱动代码中,还提供了分离出不同的段的宏定义接口,供内核的驱动代码使用。

define _IOC_DIR(nr) (((nr) >> _IOC_DIRSHIFT) & _IOC_DIRMASK)

define _IOC_TYPE(nr) (((nr) >> _IOC_TYPESHIFT) & _IOC_TYPEMASK)

define _IOC_NR(nr) (((nr) >> _IOC_NRSHIFT) & _IOC_NRMASK)

define _IOC_SIZE(nr) (((nr) >> _IOC_SIZESHIFT) & _IOC_SIZEMASK)

1
2
3
4
比如:
if( _IOC_TYPE(cmd) != ‘c’) 判断是否设备种类正确
if( _IOC_NR(cmd) > 2) 判断命令的数值是不是大于2
if( _IOC_DIR(cmd) & _IOC_READ) 判断该命令是否为可读命令
4.ioctl例子分析

这个例子用ioctl来实现内核空间和用户空间的数据交互。
1.定义用户程序和驱动程序共同定义的协商文件ioctl_menu.h。

ifndef __IOCTL_MENU_

define __IOCTL_MENU_

include

/定义设备类型/

define IOC_MAGIC ‘c’

/ 初始化设备/

define IOCINIT _IO(IOC_MAGIC, 0)

/ 写寄存器 /

define IOCWREG _IOW(IOC_MAGIC, 1, int)

/ 读寄存器 /

define IOCRREG _IOR(IOC_MAGIC, 2, int)

define IOC_MAXNR 2

endif

该文件中定义了三个操作方式: 初始化、读出数据、写入数据。
2.设备驱动程序代码

include

include “ioctl_menu.h”

struct ioctl_struct{

dev_t devid; / 设备号/
int major; / 主设备号/
int minor; / 次设备号 /

struct cdev cdev; / cdev /
struct class class; //
struct device
device; / 设备 /

int data; /设备的一个储存空间/
};

struct ioctl_struct mytest;

//如果设备种类不正确
if(_IOC_TYPE(cmd) != IOC_MAGIC)
{
pr_err(“[%s] command type [%c] error!\n”, func, _IOC_TYPE(cmd));
return -1;
}

//检查序号是否超限
if(_IOC_NR(cmd) > IOC_MAXNR )
{
pr_err(“[%s] command number [%d] exceeded!\n”, func, _IOC_NR(cmd));
return -1;
}

//检查访问模式
if(_IOC_DIR(cmd) & _IOC_READ)
{
ret= !access_ok(VERIFY_WRITE, (void __user )arg, _IOC_SIZE(cmd));
}
else if (_IOC_DIR(cmd) & _IOC_WRITE)
{
ret= !access_ok(VERIFY_READ, (void __user
)arg, _IOC_SIZE(cmd));
}
if(ret) return -1;

switch(cmd)
{
//初始化
case IOCINIT:
printk(KERN_ALERT “hello ,i am a register!\n”);
break;

//写数据
case IOCWREG:
ret = copy_from_user(&mytest.data, (int __user *)arg, sizeof(int));
break;

//读数据
case IOCRREG:
ret = copy_to_user((int __user *)arg, &mytest.data, sizeof(int));
break;

default: break;
}
return 0;
}

static struct file_operations mytest_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.unlocked_ioctl = test_ioctl,

static int __init ioctl_init(void)
{
//1.构建设备号
if(mytest.major)
{
mytest.devid = MKDEV(mytest.major, 0);
register_chrdev_region(mytest.devid , 1, “mytest”);
}
else
{
alloc_chrdev_region(&mytest.devid, 0, 1, “mytest”);
mytest.major = MAJOR(mytest.devid);
mytest.minor = MINOR(mytest.devid);
}

//2.注册字符设备
cdev_init(&mytest.cdev , &mytest_fops);
cdev_add(&mytest.cdev , mytest.devid, 1);

//3.创建类
mytest.class = class_create(THIS_MODULE, “mytest”);

//4.创建设备文件
mytest.device = device_create(mytest.class, NULL, mytest.devid, NULL, “mytest”);

return 0;
}

static void __exit ioctl_exit(void)
{
printk(KERN_ALERT “ioctl Goodbye!\n”);

cdev_del(&mytest.cdev);
unregister_chrdev_region(mytest.devid, 1);
device_destroy(mytest.class, mytest.devid);
class_destroy(mytest.class);
}

module_init(ioctl_init);
module_exit(ioctl_exit);

MODULE_LICENSE(“GPL”);
MODULE_AUTHOR(“linyuwang”);

其中的access_ok()函数原型如下,用来判断用户空间的地址是否可读或者可以写。
int access_ok (int type, const void *addr, unsigned long size);
1
3.用户测试代码

include

include “ioctl_menu.h”

define READ 0

define WRITE 1

int main(int argc , char *argv[])
{
int fd;
int method;
int data;
int ret;

//判断用法是否正确
if(argc < 3)
{
printf(“error usage!\r\n”);
return -1;
}

//打开设备文件
fd = open(argv[1], O_RDWR);
if(fd < 0)
{
printf(“file %s open failed!\r\n”, argv[1]);
return -2;
}

//判断是读还是写
if(memcmp(argv[2], “read”, sizeof(“read”)) == 0)
{
method = READ;
}
else if(memcmp(argv[2], “write”, sizeof(“write”)) == 0)
{
method = WRITE;
}
else
{
printf(“methord error!”);
return -3;
}

//完成对应的操作
if(method == READ)
{
ret = ioctl(fd, IOCRREG, &data);
if(ret == 0)
{
printf(“%d\r\n”, data);
}
else
{
printf(“Read failed!”);
return -4;
}
}
else if(method == WRITE)
{
data = atoi(argv[3]);

ret = ioctl(fd, IOCWREG, &data);
if(ret == 0)
{
printf(“Success!”);
}
else
{
printf(“Write failed!”);
return -5;
}
}
return 0;
}
————————————————
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