设备控制接口(ioctl 函数)
回想一下我们在字符设备驱动中介绍的struct file_operations 结构,这里我们将介绍一个新的方法:

int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);

这是驱动程序设备控制接口函数(ioctl函数)的内核原型定义,struct inode * 和struct file* 描述了操作的文件,unsigned int 描述了ioctl命令号,这是一个重要的参数,我们稍后会对它做详细介绍。最后一个参数是unsigned long数据类型,描述了ioctl命令可能带有的参数,它可能是一个整数或指针数据。

  • ioctl命令号
ioctl命令号是这个函数中最重要的参数,它描述的ioctl要处理的命令。Linux中使用一个32位的数据来编码ioctl命令,它包含四个部分:dir:type:nr:size。
  • dir:
代表数据传输的方向,占2位,可以是_IOC_NONE(无数据传输,0U),_IOC_WRITE(向设备写数据,1U)或_IOC_READ(从设备读数据,2U)或他们的逻辑或组合,当然只有_IOC_WRITE和_IOC_READ的逻辑或才有意义。
  • type:
描述了ioctl命令的类型,8位。每种设备或系统都可以指定自己的一个类型号,ioctl用这个类型来表示ioctl命令所属的设备或驱动。一般用ASCII码字符来表示,如 'a'。
  • nr:
ioctl命令序号,一般8位。对于一个指定的设备驱动,可以对它的ioctl命令做一个顺序编码,一般从零开始,这个编码就是ioctl命令的序号。
  • size:
ioctl命令的参数大小,一般14位。ioctl命令号的这个数据成员不是强制使用的,你可以不使用它,但是我们建议你指定这个数据成员,通过它我们可以检查用户空间数据的大小以避免错误的数据操作,也可以实现兼容旧版本的ioctl命令。
我们可以自己来直接指定一个ioctl命令号,它可能仅仅是一个整数集,但Linux中的ioctl命令号都是有特定含义的,因此通常我们不推荐这么做。其实Linux内核已经提供了相应的宏来自动生成ioctl命令号:

_IO(type,nr)
_IOR(type,nr,size)
_IOW(type,nr,size)
_IOWR(type,nr,size)

宏_IO用于无数据传输,宏_IOR用于从设备读数据,宏 _IOW用于向设备写数据,宏_IOWR用于同时有读写数据的IOCTL命令。相对的,Linux内核也提供了相应的宏来从ioctl命令号种解码相应的域值:

_IOC_DIR(nr)
_IOC_TYPE(nr)
_IOC_NR(nr)
_IOC_SIZE(nr)

这些宏都定义在<asm/ioctl.h>头文件中(一般在<asm-generic.h>头文件中)。一般在使用中,先指定各个IOCTL命令的顺序编号(一般从0开始),然后根据使用的环境用这些宏来自动生成IOCTL命令号,在后面的例子中你可以了解实际的使用场景。
  • ioctl返回值
ioctl函数的返回值是一个整数类型的值,如果命令执行成功,ioctl返回零,如果出现错误,ioctl函数应该返回一个负值。这个负值会作为errno值反馈给调用此ioctl的用户空间程序。关于返回值的具体含义,请参考<linux/errno.h>和<asm/errno.h>头文件。
  • ioctl参数
这里有必要说明一下ioctl命令的参数,因为它很容易犯错误。如果ioctl命令参数仅仅是一个整数,那么事情很简单了,我们可以在ioctl函数中直接使用它。但如果它是一个指针数据,那么使用上就要小心了。首先要说明这个参数是有用户空间的程序传递过来的,因此这个指针指向的地址是用户空间地址,在Linux中,用户空间地址是一个虚拟地址,在内核空间是无法直接使用它的。为了解决在内核空间使用用户空间地址的数据,Linux内核提供了以下函数,它们用于在内核空间访问用户空间的数据,定义在<asm/uaccess.h>头文件中:

unsigned long __must_check copy_to_user(void __user *to,
const void *from, unsigned long n);
unsigned long __must_check copy_from_user(void *to,
const void __user *from, unsigned long n);

copy_from_user和copy_to_user一般用于复杂的或大数据交换,对于简单的数据类型,如int或char,内核提供了简单的宏来实现这个功能:

#define get_user(x,ptr)
#define put_user(x,ptr)

其中,x是内核空间的简单数据类型地址,ptr是用户空间地址指针。
我们需要牢记:在内核中是无法直接访问用户空间地址数据的。因此凡是从用户空间传递过来的指针数据,务必使用内核提供的函数来访问它们。

这里有必要再一次强调的是,在内核模块或驱动程序的编写中,我们强烈建议你使用内核提供的接口来生成并操作ioctl命令号,这样可以对命令号赋予特定的含义,使我们的程序更加的健壮;另一方面也可以提高程序的可移植性。

举例
好了,是时候举个例子了。我们将扩展我们的helloworld驱动添加ioctl函数。

首先,我们添加一个头文件来定义ioctl接口需要用到的数据(hello.h):

#ifndef _HELLO_H
#define _HELLO_H
#include <asm/ioctl.h>
#define MAXBUF 20
typedef struct _buf_data{
int size;
char data [MAXBUF];
}buf_data;

#define HELLO_IOCTL_NR_BASE            0
#define HELLO_IOCTL_NR_SET_DATA     (HELLO_IOCTL_NR_BASE + 1)
#define HELLO_IOCTL_NR_MAX             (HELLO_IOCTL_NR_GET_BUFF + 1)

#define HELLO_IOCTL_SET_DATA           _IOR('h', HELLO_IOCTL_NR_SET_DATA, buf_data*)

#endif

然后为我们的驱动程序添加ioctl接口hello_ioctl,并实现这个函数:

static int hello_ioctl (struct inode *inode, struct file *filp,
unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
int cmd_nr;
int err;
buf_data buff;

err = 0;
cmd_nr = _IOC_NR (cmd);
switch (cmd_nr){
case HELLO_IOCTL_NR_SET_DATA:
if (copy_from_user(&buff, (unsigned char *)arg, sizeof(buf_data)))
{
err = -ENOMEM;
goto error;
}
memset(hello_buf, 0, sizeof(hello_buf));
memcpy(hello_buf, buff.data, buff.size);
break;
default:
printk("hello_ioctl: Unknown ioctl command (%d)\n", cmd);
break;
}

error:
return err;
}

static struct file_operations hello_fops = {
.read = hello_read,
.write = hello_write,
.open = hello_open,
.ioctl = hello_ioctl,
.release = hello_release,
};

后记
到这里我们已经向您展示了Linux内核驱动程序的设备控制接口(ioctl接口),详细的介绍了它的使用,并给出了一个实际的例子,尽管它很简单,但已经足够了。到这里你可以写出一个标准的Linux驱动程序了。不过这里还有个问题,那就是我们不得不从/proc/devices文件里读取设备号然后手动创建设备节点。我们是否可以让系统自动的创建这个设备节点文件呢?当然可以。不过在那之前,我们必须深入了解Linux的设备驱动模型。后面的章节我们就详细的介绍Linux的设备驱动模型及Hotplug机制。

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