Linux驱动之ioctl

本文详细介绍了在Linux环境下如何使用ioctl函数来控制设备。包括ioctl命令的定义、实现过程及参数检查方法,并提供了一个完整的示例代码。

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在用户空间,使用ioctl系统调用来控制设备,原型如下:

int ioctl(int fd, unsigned long cmd, ...);

第三个参数不表示一个变数目的参数,而是一个类型可选的参数。第三个参数依赖于控制命令。一些命令不用参数,一些用一个整数值,一些使用指针

 

1、ioctl函数定义命令

 

在编写ioctl代码之前,首先需要定义命令。为了防止对错误的设备使用正确的命令,命令号应该在系统范围内事唯一的

ioctl命令编码被划分为几个段,include/asm/ioctl.h中定义了这些字段:类型(幻数),基数,传送方向,参数大小等。Documentation/ioctl-number.txt文件中罗列了再内核中已经使用了的幻数。

定义ioctl命令的正确方法是使用4个位段,这个列表中介绍的符号定义在<linux/ioctl.h>中:

 

Type:

幻数(类型):表明哪个设备的命令,在参考了ioctl-number.txt之后选出,8位宽。

 

Number:

序号,表明设备命令中的第几个,8位宽

内核提供了下列宏来帮助定义命令号,如下

_IO(type, nr):没有参数的命令

_IOR(type, nr, datatype):从驱动中读数据

_IOW(type, nr, datatype):写数据到驱动

_IOWR(type, nr, datatype):双向传送,type和number作为参数被传递

 

2、ioctl函数的实现

 

分三个技术环节:

 

1、返回值

ioctl函数的实现通常是根据命令执行的一个switch语句。但是当命令不能匹配任何一个设备所支持的命令时,通常返回-EINVAL(“非法参数”)

 

2、参数使用

如果是一个整数,可以直接使用。如果是指针,我们必须确保这个用户地址是有效的,因此使用前需进行正确的检查

使用int access_ok(int type, const void *addr, unsigned long size)来检查一个指针地址是否可以访问

第一个参数是VERIFY_READ或者是VERIFY_WRITE,用来表明读用户内存还是写用户内存。addr参数时要操作的用户内存地址,size是操作的长度。如果ioctl需要从用户空间读一个整数,那么size = sizeof(int)。如果需要同时读和写,则使用VERIFY_WRITE。

access_ok返回一个布尔值:1是成功(存取没问题)和0是失败(存取有问题),如果该函数返回失败,则ioctl应当返回-EFAULT,如:

 

if(_IOC_DIR(cmd) & _IOC_READ)// 为什么_IOC_READ对应VERIFY_WRITE???

    err = !access_ok(VERIFY_WRITE, (void  __user *)arg, _IOC_SIZE(cmd));

else if(_IOC_DIR(cmd) & _IOC_WRITE)

       err = ! access_ok(VERIFY_READ, (void  __user *)arg, _IOC_SIZE(cmd));

if(err)

       return –EFAULT

 

在access_ok检测通过后,驱动可以使用cope_from_user和cope_to_user等函数进行参数传递了

 

3、命令操作

switch(cmd)

{

      case MEMDEV_IOCPRINT:

          printk("<--- CMD MEMDEV_IOCPRINT Done--->/n/n");

          break;

 

      case MEMDEV_IOCGETDATA:

        ioarg = 1101;

        ret = __put_user(ioarg, (int *)arg);

        break;

 

      case MEMDEV_IOCSETDATA:

        ret = __get_user(ioarg, (int *)arg);

        printk("<--- In Kernel MEMDEV_IOCSETDATA ioarg = %d --->/n/n",ioarg);

        break;

 

      default: 

        return -ENOTTY;

}

 

实例分析,源码如下(最好先看《第一个嵌入式Linux的驱动程序》中的源码)

memdev.h:

#ifndef _MEMDEV_H_
#define _MEMDEV_H_

#include <linux/ioctl.h>

#ifndef MEMDEV_MAJOR
#define MEMDEV_MAJOR 0  
#endif

#ifndef MEMDEV_NR_DEVS
#define MEMDEV_NR_DEVS 3   
#endif

#ifndef MEMDEV_SIZE
#define MEMDEV_SIZE 4096
#endif


typedef struct Mem_Dev {
   char *data;
   struct Mem_Dev *next;  
   unsigned long size;
} Mem_Dev;


#define MEMDEV_IOC_MAGIC  'k'


#define MEMDEV_IOCPRINT   _IO(MEMDEV_IOC_MAGIC, 1)
#define MEMDEV_IOCGETDATA _IOR(MEMDEV_IOC_MAGIC, 2, int)
#define MEMDEV_IOCSETDATA _IOW(MEMDEV_IOC_MAGIC, 3, int)


#define MEMDEV_IOC_MAXNR 3

#endif

 

memdev.c:

#ifndef __KERNEL__
#  define __KERNEL__
#endif
#ifndef MODULE
#  define MODULE
#endif

//#include <linux/config.h>
#include <linux/module.h>

#include <linux/kernel.h>  
#include <linux/init.h>    
#include <linux/slab.h>  
#include <linux/fs.h>      
#include <linux/errno.h>   
#include <linux/types.h>   
#include <linux/proc_fs.h>

#include <asm/system.h> 
#include <asm/uaccess.h>  

#include "memdev.h"

 

MODULE_LICENSE("GPL");

Mem_Dev *mem_devices;
int memdev_major = MEMDEV_MAJOR;


int memdev_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    Mem_Dev *dev;
   
    int num = MINOR(inode->i_rdev);

    dev = (Mem_Dev *)filp->private_data;
    if (!dev)
    {
        if (num >= MEMDEV_NR_DEVS)
            return -ENODEV;
        dev = &mem_devices[num];
        filp->private_data = dev;
    }

    //MOD_INC_USE_COUNT;
   
    return 0;         
}


int memdev_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    //MOD_DEC_USE_COUNT;
    return 0;
}


int memdev_ioctl(struct inode *inode, struct file *filp,
                 unsigned int cmd, unsigned long arg)
{

    int err = 0;
    int ret = 0;
    int ioarg = 0;
   
    if (_IOC_TYPE(cmd) != MEMDEV_IOC_MAGIC)
        return -ENOTTY;
    if (_IOC_NR(cmd) > MEMDEV_IOC_MAXNR)
        return -ENOTTY;

   
    if (_IOC_DIR(cmd) & _IOC_READ)
        err = !access_ok(VERIFY_WRITE, (void *)arg, _IOC_SIZE(cmd));
    else if (_IOC_DIR(cmd) & _IOC_WRITE)
        err = !access_ok(VERIFY_READ, (void *)arg, _IOC_SIZE(cmd));
    if (err)
        return -EFAULT;

   
    switch(cmd)

    {    
      case MEMDEV_IOCPRINT:
       printk("<--- CMD MEMDEV_IOCPRINT Done--->/n/n");
        break;
          
      case MEMDEV_IOCGETDATA:
        ioarg = 1101;
        ret = __put_user(ioarg, (int *)arg);
        break;
     
      case MEMDEV_IOCSETDATA:
        ret = __get_user(ioarg, (int *)arg);
        printk("<--- In Kernel MEMDEV_IOCSETDATA ioarg = %d --->/n/n",ioarg);
        break;

      default: 
        return -ENOTTY;
    }
    return ret;

}

 

struct file_operations memdev_fops = {
    ioctl:      memdev_ioctl,
    open:       memdev_open,
    release:    memdev_release,
};


void memdev_cleanup_module(void)
{
    int i;
   
    unregister_chrdev(memdev_major, "memdev");

   
    if (mem_devices)
    {
        for (i=0; i<MEMDEV_NR_DEVS; i++)
        kfree(mem_devices[i].data);
        kfree(mem_devices);
    }

}


int memdev_init_module(void)
{
    int result, i;
   
    //SET_MODULE_OWNER(&memdev_fops);
 
    result = register_chrdev(memdev_major, "memdev", &memdev_fops);
    if (result < 0)
    {
        printk(KERN_WARNING "mem: can't get major %d/n",memdev_major);
        return result;
    }
    if (memdev_major == 0)
     memdev_major = result;

   
    mem_devices = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(Mem_Dev), GFP_KERNEL);
    if (!mem_devices)
    {
        result = -ENOMEM;
        goto fail;
    }
    memset(mem_devices, 0, MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(Mem_Dev));
   
    for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++)
    {
        mem_devices[i].size = MEMDEV_SIZE;
        mem_devices[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);
        memset(mem_devices[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);
    }
   
    return 0;

  fail:
    memdev_cleanup_module();
    return result;
}


module_init(memdev_init_module);
module_exit(memdev_cleanup_mo

 

app-ioctl.c:

#include <stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>

#include "memdev.h" 

 

int main()
{
 int fd = 0;
 int cmd;
 int arg = 0;
 char Buf[4096];
 
 fd = open("/dev/memdev0",O_RDWR);
 if (fd < 0)
 {
    printf("Open Dev Mem0 Error!/n");
    return -1;
 }
 
 printf("<--- Call MEMDEV_IOCPRINT --->/n");
 cmd = MEMDEV_IOCPRINT;
 if (ioctl(fd, cmd, &arg) < 0)
 {
     printf("Call cmd MEMDEV_IOCPRINT fail/n");
     return -1;
 }
 
 printf("<--- Call MEMDEV_IOCSETDATA --->/n");
 cmd = MEMDEV_IOCSETDATA;
 arg = 2007;
 if (ioctl(fd, cmd, &arg) < 0)
 {
     printf("Call cmd MEMDEV_IOCSETDATA fail/n");
     return -1;
 }

 
 printf("<--- Call MEMDEV_IOCGETDATA --->/n");
 cmd = MEMDEV_IOCGETDATA;
 if (ioctl(fd, cmd, &arg) < 0)
 {
     printf("Call cmd MEMDEV_IOCGETDATA fail/n");
     return -1;
 }
 printf("<--- In User Space MEMDEV_IOCGETDATA Get Data is %d --->/n/n",arg);
 
 close(fd);
 return 0; 
}


Makefile和《第一个嵌入式Linux的驱动程序》中的Makefile一样。

编译后下载到开发板上进行测试(参照《第一个嵌入式Linux的驱动程序》)……

Linux驱动程序开发中,`ioctl` 是一个非常重要的系统调用,它用于实现用户空间应用程序与内核空间设备驱动之间的控制信息交互。相较于 `read` 和 `write` 等标准文件操作,`ioctl` 提供了更灵活的接口,可以执行特定于设备的命令,例如配置设备参数、获取设备状态或触发特定操作。 ### `ioctl` 的作用 1. **设备控制**:`ioctl` 允许用户空间程序向设备驱动发送控制命令,这些命令通常不涉及数据的读写,而是用于改变设备行为或状态。例如,设置串口通信参数(波特率、校验位等)或启用/禁用某个硬件功能。 2. **状态查询**:除了发送命令,`ioctl` 也可用于从设备驱动中获取当前状态或配置信息。例如,查询摄像头支持的图像格式或当前分辨率[^4]。 3. **结构化数据传输**:通过 `ioctl` 可以在用户空间和内核空间之间传递结构体数据,从而实现更复杂的控制逻辑[^2]。 ### `ioctl` 的函数原型 ```c #include <sys/ioctl.h> int ioctl(int fd, unsigned long request, ...); ``` - `fd`:由 `open()` 返回的文件描述符。 - `request`:指定要执行的操作,通常是一个预定义的命令常量。 - `...`:可选参数,通常是指针类型,用于传递或接收数据[^3]。 ### `ioctl` 命令的构成 `ioctl` 命令值通常是通过宏定义生成的,包含以下信息: - **方向**:表示数据传输方向(无数据、从用户到内核、从内核到用户、双向)。 - **类型(幻数)**:用于标识设备类型,防止命令冲突。 - **序号**:表示具体的命令编号。 - **数据大小**:传递的数据结构大小。 常见的宏包括 `_IO`、`_IOR`、`_IOW` 和 `_IOWR`,分别用于不同数据传输方向的命令定义[^4]。 ### 使用示例 #### 用户空间调用示例 ```c #include <stdio.h> #include <fcntl.h> #include <sys/ioctl.h> #include <unistd.h> // 假设已定义 MY_IOCTL_CMDstruct my_data struct my_data { int value; char buffer[64]; }; int main() { int fd = open("/dev/mydevice", O_RDWR); if (fd < 0) { perror("Failed to open device"); return -1; } struct my_data data = { .value = 42 }; if (ioctl(fd, MY_IOCTL_CMD, &data) < 0) { perror("IOCTL failed"); close(fd); return -1; } printf("Value from kernel: %d\n", data.value); close(fd); return 0; } ``` #### 内核模块中实现 `ioctl` 处理函数 ```c #include <linux/fs.h> #include <linux/uaccess.h> struct my_data { int value; char buffer[64]; }; long my_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg) { struct my_data data; switch (cmd) { case MY_IOCTL_CMD: if (copy_from_user(&data, (void __user *)arg, sizeof(data))) { return -EFAULT; } printk(KERN_INFO "Received value from user space: %d\n", data.value); data.value += 1; if (copy_to_user((void __user *)arg, &data, sizeof(data))) { return -EFAULT; } break; default: return -EINVAL; } return 0; } ``` 在上述代码中,用户空间程序通过 `ioctl` 向内核传递了一个结构体,并从中获取修改后的结果。这种机制非常适合用于需要复杂参数传递的设备控制场景。 ---
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