linux内核ioctl（字符设备驱动）

时间：2022-03-18 11:07:38

序言
设备驱动程序的一个基本功能就是管理和控制设备，同时为用户应用程序提供管理和控制设备的接口。我们前面的“Hello World”驱动程序已经可以提供读写功能了，在这里我们将扩展我们的驱动以支持设备控制接口，在Linux中这个接口是通过ioctl函数来实现的。

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,
};

 

 

其他两个字段在这里不作深究。

值得一提的是LDD3里这么一段话：

The header also defines macros that may be used in your driver to decode the num-
bers: _IOC_DIR(nr), _IOC_TYPE(nr), _IOC_NR(nr), and _IOC_SIZE(nr). We won’t go
into any more detail about these macros because the header file is clear, and sample
code is shown later in this section.

根据ioctl.h文件的定义，很明显_IOC_DIR(nr), _IOC_TYPE(nr), _IOC_NR(nr),_IOC_SIZE(nr)这几个宏里面的参数就是一个IOCTL命令，即一个32位的二进制数，而文件中参数居然用nr表示！ 当然用nr表示不是逻辑上的错误。但是别忘了文件中还有_IOW(type,nr,size)这样的定义IOCTL命令的宏，这其中的参数nr是IOCTL命令编号中的一个nr字段，一个8位的二进制数！我想很多新人都会对此产生莫大的疑惑！所以我认为把_IOC_DIR(nr), _IOC_TYPE(nr), _IOC_NR(nr),_IOC_SIZE(nr)这几个解码宏的参数改用cmd表示更恰当！
但是，我知道这不是LDD3作者的错，因为内核头文件里面也是这么表示的。我想内核开发者不可能没意识到这个问题。因此，我猜测这其中肯定有个历史原因： 大概以前版本的命令不管type是否一样，nr字段的值都是唯一的，于是仅靠nr字段就可以解码出一个IOCTL命令的其他字段吧？！但即使这样_IOC_DIR(nr), _IOC_TYPE(nr), _IOC_NR(nr),_IOC_SIZE(nr)也没必要保留这种写法啊！到底谁可以告诉我真相？

LDD3没有对_IOC_DIR(nr), _IOC_TYPE(nr), _IOC_NR(nr),_IOC_SIZE(nr)里面的nr作任何解释，只是实例中有如下用法：

if (_IOC_TYPE(cmd) != SCULL_IOC_MAGIC) return -ENOTTY;
if (_IOC_NR(cmd) > SCULL_IOC_MAXNR) return -ENOTTY;

可见那个nr参数完全就是我所说的32位的IOCTL命令编码。靠，既然这样好歹也对着个confusion作一下简单的解释啊！如果LDD3一书那“既 不承认，也不否认”的暧昧态度让我真让我哭笑不得的话，那么国内某书（具体哪本我就不说了）简直令我抓狂，我摘书中的两段话如下：

_IO(type,nr):定义一个没有数据传输的命令编号。type为幻数，nr为命令编号。...
...
_IOC_DIR(nr): 获得命令编号的命令传输方向（direction）。这个宏的参数就是命令编号。

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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