Linux驱动IO篇——ioctl设备操作

应用程序如果想要设置/获取驱动层的数据，一般是驱动提供一个ioclt接口，然后应用层调用。因此，学会在驱动中实现ioctl接口是必要的一项技能。

ioctl命令编码规则

想要定义一个自己的ioctl命令，必须要遵从ioctl的编码规则。

一个ioctl命令由32比特位表示，每个比特位都有不同的含义，不同版本的内核定义可能有些差异，具体参考文档“Documentation/ioctl/ioctl-deconding.txt”.

在内核include/uapi/asm-generic/ioctl.h头文件中提供了一组宏来定义、提取命令中的字符信息：

#define _IOC(dir,type,nr,size) \\(((dir)  << _IOC_DIRSHIFT) | \\((type) << _IOC_TYPESHIFT) | \\((nr)   << _IOC_NRSHIFT) | \\((size) << _IOC_SIZESHIFT))#ifndef __KERNEL__
#define _IOC_TYPECHECK(t) (sizeof(t))
#endif/* used to create numbers */
#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)))
#define _IOR_BAD(type,nr,size)	_IOC(_IOC_READ,(type),(nr),sizeof(size))
#define _IOW_BAD(type,nr,size)	_IOC(_IOC_WRITE,(type),(nr),sizeof(size))
#define _IOWR_BAD(type,nr,size)	_IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE,(type),(nr),sizeof(size))/* used to decode ioctl numbers.. */
#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)

构造ioctl命令：

• _IO(type,nr):用于构造无参数的命令号
• _IOR(type,nr,datetype):用于构造从驱动程序中读取数据的命令号
• _IOW(type,nr,datatype):用于构造向驱动程序写入数据的命令号
• _IORW(type,nr,datatype):用于构造双向传输的命令号

解析ioctl命令：

• _IOC_DIR(cmd):获得传输方向位段的值
• _IOC_TYPE(cmd):获得类型的值
• _IOC_NR(cmd):获得编号的值
• _IOC_SIZE(cmd):获得大小的值

具体示例：

向驱动写入数据，假设定义幻数为’a’，命令码为0，传入的数据为结构体struct option：

#define VS_MAGIC	's'//幻数#define VS_SET_FFMT	_IOW(VS_MAGIC, 0, struct option)

从驱动获得数据，将命令码修改为1，_IOW换成_IOR：

#define VS_MAGIC	's'//幻数#define VS_GET_FFMT	_IOR(VS_MAGIC, 1, struct option)

这里要注意，理想情况下定义的幻数在一种体系结构下应该是全局唯一的，但很显然，这很难做到，但我们还是应该遵从内核所规定的这种定义形式。

ioctl系统调用过程

ioctl本质是一个系统调用，在应用层使用ioctl函数时，会使得系统从用户态trap到内核态，即调用到内核态的sys_ioctl函数。

sys_ioctl函数的定义位于内核源码fs/ioctl.c中：

SYSCALL_DEFINE3(ioctl, unsigned int, fd, unsigned int, cmd, unsigned long, arg)
{int error;struct fd f = fdget(fd);if (!f.file)return -EBADF;error = security_file_ioctl(f.file, cmd, arg);if (!error)error = do_vfs_ioctl(f.file, fd, cmd, arg);fdput(f);return error;
}	

SYSCALL_DEFINE3是一个系统调用宏，3代表这个系统调用需要3个参数，具体的SYSCALL_DEFINE宏定义可以参考include/linux/syscalls.h。这里不对系统调用展开讨论，只需要知道ioctl是一个系统调用就可以了。

展开之后，这个函数名字其实就是sys_ioctl，sys_ioctl函数首先调用了security_file_ioctl，然后调用了do_vfs_ioctl。

do_vfs_ioctl函数是需要关注的，定义如下：

int do_vfs_ioctl(struct file *filp, unsigned int fd, unsigned int cmd,unsigned long arg)
{int error = 0;int __user *argp = (int __user *)arg;struct inode *inode = file_inode(filp);switch (cmd) {case FIOCLEX:set_close_on_exec(fd, 1);break;case FIONCLEX:set_close_on_exec(fd, 0);break;case FIONBIO:error = ioctl_fionbio(filp, argp);break;case FIOASYNC:error = ioctl_fioasync(fd, filp, argp);break;case FIOQSIZE:if (S_ISDIR(inode->i_mode) || S_ISREG(inode->i_mode) ||S_ISLNK(inode->i_mode)) {loff_t res = inode_get_bytes(inode);error = copy_to_user(argp, &res, sizeof(res)) ?-EFAULT : 0;} elseerror = -ENOTTY;break;case FIFREEZE:error = ioctl_fsfreeze(filp);break;case FITHAW:error = ioctl_fsthaw(filp);break;case FS_IOC_FIEMAP:return ioctl_fiemap(filp, arg);case FIGETBSZ:return put_user(inode->i_sb->s_blocksize, argp);case FICLONE:return ioctl_file_clone(filp, arg, 0, 0, 0);case FICLONERANGE:return ioctl_file_clone_range(filp, argp);case FIDEDUPERANGE:return ioctl_file_dedupe_range(filp, argp);default:if (S_ISREG(inode->i_mode))error = file_ioctl(filp, cmd, arg);elseerror = vfs_ioctl(filp, cmd, arg);break;}return error;
}

可以看到，do_vfs_ioctl函数会对一些特殊的命令进行处理，因此，我们在定义自己的ioctl命令时，要避免和这些已有的命令冲突。

只有非特殊命令的情况，才会进入switch的default，vfs_ioctl函数最终会调用驱动中实现的unlocked_ioctl函数：

long vfs_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{int error = -ENOTTY;if (!filp->f_op->unlocked_ioctl)goto out;error = filp->f_op->unlocked_ioctl(filp, cmd, arg);if (error == -ENOIOCTLCMD)error = -ENOTTY;out:return error;
}

驱动层实现

在驱动中，我们只需要实现struct file_operations结构体里的unlocked_ioctl函数即可，这个函数用于处理ioctl命令，基本结构如下：

static long vser_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{switch(cmd) {case VS_SET_BAUD:vsdev.baud = arg;break;case VS_SET_FFMT:if (copy_from_user(&vsdev.opt, (struct option __user *)arg, sizeof(struct option)))return -EFAULT;	break;default:break;};return 0;
}static struct file_operations vser_ops = {.owner = THIS_MODULE,.unlocked_ioctl = vser_ioctl,
};

cmd就是传入ioctl命令，一般在unlocked_ioctl函数的实现中，通过switch语句判断不同ioctl命令。第三个参数arg代表输入的数据，如果传入的是一个指针，可以对arg进行强制类型转换。

vser.c

#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/kfifo.h>
#include <linux/ioctl.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/device.h>static struct class *class;struct option{unsigned int datab;unsigned int parity;unsigned int stopb;
};#define VS_MAGIC	's'#define VS_SET_BAUD	_IOW(VS_MAGIC, 0, unsigned int)
#define VS_GET_BAUD	_IOR(VS_MAGIC, 1, unsigned int)
#define VS_SET_FFMT	_IOW(VS_MAGIC, 2, struct option)
#define VS_GET_FFMT	_IOR(VS_MAGIC, 3, struct option)#define VSER_MAJOR 256
#define VSER_MINOR 0
#define VSER_DEV_CNT	1
#define VSER_DEV_NAME "vser"struct vser_dev{unsigned int baud;struct option opt;struct cdev cdev;
};DEFINE_KFIFO(vsfifo, char, 32);
static struct vser_dev vsdev;static int vser_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{return 0;
}static int vser_release(struct inode *inode, struct file *flip)
{return 0;
}static ssize_t vser_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
{int ret;unsigned int copied = 0;ret = kfifo_to_user(&vsfifo, buf, count, &copied);return ret == 0 ? copied : ret;
}static ssize_t vser_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *pos)
{int ret;unsigned int copied = 0;ret = kfifo_from_user(&vsfifo, buf, count, &copied);return ret == 0? copied : ret;
}static long vser_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{if (_IOC_TYPE(cmd) != VS_MAGIC)return -ENOTTY;switch(cmd) {case VS_SET_BAUD:vsdev.baud = arg;break;case VS_GET_BAUD:arg = vsdev.baud;break;case VS_SET_FFMT:if (copy_from_user(&vsdev.opt, (struct option __user *)arg, sizeof(struct option)))return -EFAULT;	break;case VS_GET_FFMT:if (copy_to_user((struct option __user *)arg, &vsdev.opt, sizeof(struct option)))return -EFAULT;break;default:break;};return 0;
}static struct file_operations vser_ops = {.owner = THIS_MODULE,.open = vser_open,.release = vser_release,.read = vser_read,.write = vser_write,.unlocked_ioctl = vser_ioctl,
};static int __init vser_init(void)
{int ret;dev_t dev;dev = MKDEV(VSER_MAJOR, VSER_MINOR);ret = register_chrdev_region(dev, VSER_DEV_CNT, VSER_DEV_NAME);if (ret)goto reg_err;cdev_init(&vsdev.cdev, &vser_ops);vsdev.cdev.owner = THIS_MODULE;vsdev.baud = 115200;vsdev.opt.datab = 8;vsdev.opt.parity = 0;vsdev.opt.stopb = 1;ret = cdev_add(&vsdev.cdev, dev, VSER_DEV_CNT);if (ret)goto add_err;/* 自动创建设备节点 */class = class_create(THIS_MODULE, "my_ioctl");  /* /sys/class/my_ioctl */device_create(class, NULL, dev, NULL, "vser0"); /* /dev/vser0 */return 0;add_err:unregister_chrdev_region(dev, VSER_DEV_CNT);
reg_err:return ret;
}static void __exit vser_exit(void)
{dev_t dev;dev = MKDEV(VSER_MAJOR, VSER_MINOR);cdev_del(&vsdev.cdev);device_destroy(class, dev);class_destroy(class);unregister_chrdev_region(dev, VSER_DEV_CNT);
}module_init(vser_init);
module_exit(vser_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

应用层示例

test.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>struct option{unsigned int datab;unsigned int parity;unsigned int stopb;
};#define VS_MAGIC	's'#define VS_SET_BAUD	_IOW(VS_MAGIC, 0, unsigned int)
#define VS_GET_BAUD	_IOR(VS_MAGIC, 1, unsigned int)
#define VS_SET_FFMT	_IOW(VS_MAGIC, 2, struct option)
#define VS_GET_FFMT	_IOR(VS_MAGIC, 3, struct option)int main(int argc, char *argv[])
{int fd;int ret;unsigned int baud;struct option opt = {8,1,1};fd = open("/dev/vser0", O_RDWR);if (fd == -1)goto fail;baud = 9600;ret = ioctl(fd, VS_SET_BAUD, baud);if (ret == -1)goto fail;ret = ioctl(fd, VS_GET_BAUD, baud);if (ret == -1)goto fail;ret = ioctl(fd, VS_SET_FFMT, &opt);if (ret == -1)goto fail;ret = ioctl(fd, VS_GET_FFMT, &opt);if (ret == -1)goto fail;printf("baud rate:%d\\n", baud);printf("frame format: %d%d%d\\n", opt.datab, opt.parity, opt.stopb);close(fd);exit(EXIT_SUCCESS);fail:perror("ioctl test");exit(EXIT_FAILURE);
}

运行结果：