Linux设备驱动之Ioctl控制

在 Linux 设备驱动开发中，ioctl（Input/Output Control）是一种重要的控制接口，允许用户空间程序通过自定义命令与内核驱动交互，实现设备配置、状态查询、特殊操作等功能。以下是 ioctl 的完整实现指南。

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​1. ioctl 的核心概念

​(1) 作用

• ​用户空间与驱动的交互：通过自定义命令实现设备控制（如设置波特率、读取寄存器值）。
• ​灵活的参数传递：支持传递整型、结构体等复杂数据类型。

​(2) 用户空间接口

用户程序通过系统调用 ioctl 发送命令和参数：

#include <sys/ioctl.h>
int ioctl(int fd, unsigned long cmd, ... /* void *arg */);

​(3) 内核驱动接口

在 file_operations 中实现 unlocked_ioctl 方法：

long (*unlocked_ioctl)(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);

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​2. ioctl 命令码的构造

Linux 内核定义了命令码的构造规则，需使用宏 _IO, _IOR, _IOW, _IOWR 生成唯一的命令码。

宏	含义	参数方向
_IO(type, nr)	无参数命令	无数据传递
_IOR(type, nr, datatype)	读数据命令	驱动 → 用户空间
_IOW(type, nr, datatype)	写数据命令	用户空间 → 驱动
_IOWR(type, nr, datatype)	双向读写命令	用户空间 ↔ 驱动

• ​参数说明：
  • type：幻数（Magic Number），8 位宽，用于区分命令组（如 'k' 表示自定义驱动）。
  • nr：命令序号（0~255），同一幻数下唯一。
  • datatype：数据类型的字节大小（如 int 对应 sizeof(int)）。

​示例：定义命令码

// 定义幻数（需唯一）
#define MYDEV_IOC_MAGIC 'k'

// 定义命令
#define MYDEV_GET_STATUS _IOR(MYDEV_IOC_MAGIC, 0, int)
#define MYDEV_SET_MODE   _IOW(MYDEV_IOC_MAGIC, 1, int)
#define MYDEV_READ_DATA  _IOWR(MYDEV_IOC_MAGIC, 2, struct mydev_data)

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​3. 驱动中的 ioctl 实现

​(1) 基本框架

static long mydev_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg) {
    struct mydev_private *priv = filp->private_data;
    void __user *argp = (void __user *)arg;

    switch (cmd) {
        case MYDEV_GET_STATUS:
            // 从驱动读取状态到用户空间
            return mydev_get_status(priv, argp);
        case MYDEV_SET_MODE:
            // 从用户空间设置模式到驱动
            return mydev_set_mode(priv, argp);
        case MYDEV_READ_DATA:
            // 双向数据传递
            return mydev_read_data(priv, argp);
        default:
            return -ENOTTY; // 无效命令
    }
}

​(2) 参数处理示例

​简单整型参数

case MYDEV_SET_MODE: {
    int mode;
    if (copy_from_user(&mode, argp, sizeof(int)))
        return -EFAULT;
    priv->mode = mode;
    return 0;
}

​结构体参数

struct mydev_data {
    int id;
    char buf[32];
};

case MYDEV_READ_DATA: {
    struct mydev_data data;
    if (copy_from_user(&data, argp, sizeof(data)))
        return -EFAULT;

    // 处理数据（例如根据 id 填充 buf）
    snprintf(data.buf, sizeof(data.buf), "Data for ID %d", data.id);

    // 将结果拷贝回用户空间
    if (copy_to_user(argp, &data, sizeof(data)))
        return -EFAULT;
    return 0;
}

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​4. 用户空间调用示例

​(1) 基础调用

#include <sys/ioctl.h>

int main() {
    int fd = open("/dev/mydevice", O_RDWR);
    int status;

    // 获取设备状态
    if (ioctl(fd, MYDEV_GET_STATUS, &status) < 0) {
        perror("ioctl failed");
        return -1;
    }
    printf("Device status: 0x%x\n", status);

    close(fd);
    return 0;
}

​(2) 结构体参数调用

struct mydev_data data = { .id = 123 };
if (ioctl(fd, MYDEV_READ_DATA, &data) < 0) {
    perror("ioctl failed");
    return -1;
}
printf("Received data: %s\n", data.buf);

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​5. 安全性关键点

​(1) 用户指针验证

• ​access_ok 检查：确保用户空间地址合法。

  if (!access_ok(VERIFY_READ, argp, sizeof(int)) || 
      !access_ok(VERIFY_WRITE, argp, sizeof(int))) {
      return -EFAULT;
  }

• ​copy_from_user/copy_to_user：始终使用安全拷贝函数。

​(2) 命令权限控制

• 结合 CAP_SYS_ADMIN 等权能限制敏感命令：

  if (!capable(CAP_SYS_ADMIN))
      return -EPERM;

​(3) 防止整数溢出

校验用户传入的缓冲区大小：

if (data.size > MAX_BUFFER_SIZE)
    return -EINVAL;

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​6. 高级用法

​(1) 兼容 32/64 位用户空间

• 使用 compat_ioctl 处理 32 位程序与 64 位内核的兼容性：

  #ifdef CONFIG_COMPAT
  static long mydev_compat_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg) {
      // 转换 32 位参数到 64 位格式
      return mydev_ioctl(filp, cmd, (unsigned long)compat_ptr(arg));
  }
  #endif
  
  static struct file_operations mydev_fops = {
      .unlocked_ioctl = mydev_ioctl,
      #ifdef CONFIG_COMPAT
      .compat_ioctl = mydev_compat_ioctl,
      #endif
  };

​(2) 可变长度数据传递

通过指针和大小参数动态处理数据：

struct variable_data {
    size_t size;
    void __user *data;
};

case MYDEV_VARIABLE_DATA: {
    struct variable_data vdata;
    if (copy_from_user(&vdata, argp, sizeof(vdata)))
        return -EFAULT;

    char *buf = kmalloc(vdata.size, GFP_KERNEL);
    if (copy_from_user(buf, vdata.data, vdata.size)) {
        kfree(buf);
        return -EFAULT;
    }

    // 处理数据...
    kfree(buf);
    return 0;
}

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​7. 调试与错误处理

​(1) 错误码列表

• -ENOTTY：无效命令。
• -EFAULT：用户空间地址非法。
• -EINVAL：参数无效。
• -EPERM：权限不足。

​(2) 内核日志追踪

在 ioctl 中添加调试日志：

pr_debug("Received command 0x%x, arg=0x%lx\n", cmd, arg);

​(3) 用户空间测试工具

使用 strace 跟踪 ioctl 调用：

strace -e trace=ioctl ./user_app

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​总结

• ​命令码构造：使用 _IO, _IOR, _IOW, _IOWR 宏确保唯一性。
• ​参数处理：通过 copy_from_user/copy_to_user 安全拷贝数据。
• ​安全验证：检查用户地址合法性和命令权限。
• ​兼容性：支持 32/64 位混合环境。

合理设计 ioctl 接口，可显著提升驱动的灵活性和安全性，是设备控制交互的核心手段。

参考：

1. （十二）ioctl的介绍和使用_ioctl读写数据-优快云博客