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 <sys/ioctl.h>
int ioctl (int fd, unsigned int cmd, ...)
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参数 描述
fd 打开文件描述符
cmd 交互协议，设备驱动将根据cmd执行相应的操作
… 可变参数arg，依赖cmd中指定的长度以及类型
ioctl()函数执行成功之后则会返回0；失败的话就会返回 -1；
2.驱动程序函数
long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
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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；
3. 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)))
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_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)
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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 <linux/ioctl.h> // 内核空间
/*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 <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/semaphore.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/of_irq.h>
#include <linux/irq.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/poll.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>
#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; /* 类 */
struct device *device; /* 设备 */
int data; /*设备的一个储存空间*/
};
struct ioctl_struct mytest;
long test_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
int ret;
//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);
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3.用户测试代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#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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