linux驱动学习（七） ioctl中的cmd和_IO() , _IOR() , IOW() ,_IOWR() 以及_IOC_NR()的关系

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在驱动程序里， ioctl() 函数传送的变量 cmd 是应用程序用于区别设备驱动程序请求处理内容的值。cmd除了可区别数字外，还包含有助于处理的几种相应信息。

ioctl()的cmd可以通过使用宏_IO()得到，那么cmd到底是怎么组成的呢？

cmd的大小为 32位，共分 4 个域：

bit31~bit30 2位为 “区别读写” 区，作用是区分是读取命令还是写入命令。
bit29~bit15 14位为 "数据大小" 区，表示 ioctl() 中的 arg 变量传送的内存大小。
bit20~bit08  8位为 “魔数"(也称为"幻数")区，这个值用以与其它设备驱动程序的 ioctl 命令进行区别。
bit07~bit00   8位为 "区别序号" 区，是区分命令的命令顺序序号。
像命令码中的 “区分读写区” 里的值可能是 _IOC_NONE （0值）表示无数据传输，_IOC_READ (读)， _IOC_WRITE (写) ， _IOC_READ|_IOC_WRITE (双向)。
内核定义了 _IO() , _IOR() , IOW() 和 _IOWR() 这 4 个宏来辅助生成上面的 cmd 。下面分析 _IO() 的实现，其它的类似。
在 asm-generic/ioctl.h 里可以看到 _IO() 的定义：
#define _IO(type,nr)        _IOC(_IOC_NONE,(type),(nr),0)
再看 _IOC() 的定义：

#define _IOC(dir,type,nr,size) \
    (((dir)  << _IOC_DIRSHIFT) | \
     ((type) << _IOC_TYPESHIFT) | \
     ((nr)   << _IOC_NRSHIFT) | \
     ((size) << _IOC_SIZESHIFT))

可见，_IO() 的最后结果由 _IOC() 中的 4 个参数移位组合而成。
再看 _IOC_DIRSHIT 的定义：

#define _IOC_DIRSHIFT    (_IOC_SIZESHIFT+_IOC_SIZEBITS)

_IOC_SIZESHIFT 的定义：

#define _IOC_SIZESHIFT    (_IOC_TYPESHIFT+_IOC_TYPEBITS)

_IOC_TYPESHIF 的定义：

#define _IOC_TYPESHIFT    (_IOC_NRSHIFT+_IOC_NRBITS)

_IOC_NRSHIFT 的定义：

#define _IOC_NRSHIFT    0

_IOC_NRBITS 的定义：

#define _IOC_NRBITS    8

_IOC_TYPEBITS 的定义：

#define _IOC_TYPEBITS    8

由上面的定义，往上推得到：

_IOC_TYPESHIFT = 8
_IOC_SIZESHIFT = 16
_IOC_DIRSHIFT = 30

所以，(dir)  << _IOC_DIRSHIFT) 表是 dir 往左移 30 位，即移到 bit31~bit30 两位上，得到方向(读写)的属性；
            (size) << _IOC_SIZESHIFT) 位左移 16 位得到“数据大小”区；
            (type) << _IOC_TYPESHIFT) 左移 8位得到"魔数区" ；
           (nr)   << _IOC_NRSHIFT)      左移 0 位( bit7~bit0) 。
这样，就得到了 _IO() 的宏值。

所以在应用程序中调用ioctl()一般是这样的：

#define I2C_IOCTL_CMD_MAKE(cmd)     ( _IO( I2C_DRV_MAGICNUM, cmd) )

cmd = I2C_IOCTL_CMD_MAKE(I2C_CMD_WRITE);
status = ioctl(hndl->fd, cmd, &prm);

在对应的驱动程序中在switch对cmd做出分类时有这样的调用：

#define I2C_IOCTL_CMD_GET(cmd)      ( _IOC_NR(cmd) )
#define I2C_IOCTL_CMD_IS_VALID(cmd) ( (_IOC_TYPE(cmd) == I2C_DRV_MAGICNUM ) ? 1 : 0)

if(!I2C_IOCTL_CMD_IS_VALID(cmd))
    return -1;
cmd = I2C_IOCTL_CMD_GET(cmd);
switch(cmd)
{}

那么_IOC_NR()和_IOC_TYPE()又是什么东西，从形式上看应该是_IO()的逆操作

以上几个宏的使用格式为：
_IO (魔数， 基数);
_IOR (魔数， 基数， 变量型)
_IOW  (魔数， 基数， 变量型)
_IOWR (魔数， 基数，变量型 )
魔数 (magic number)
魔数范围为 0~255 。通常，用英文字符 "A" ~ "Z" 或者 "a" ~ "z" 来表示。设备驱动程序从传递进来的命令获取魔数，然后与自身处理的魔数想比较，如果相同则处理，不同则不处理。魔数是拒绝误使用的初步辅助状态。设备驱动程序可以通过 _IOC_TYPE (cmd)来获取魔数。不同的设备驱动程序最好设置不同的魔数，但并不是要求绝对，也是可以使用其他设备驱动程序已用过的魔数。
基(序列号)数
基数用于区别各种命令。通常，从 0开始递增，相同设备驱动程序上可以重复使用该值。例如，读取和写入命令中使用了相同的基数，设备驱动程序也能分辨出来，原因在于设备驱动程序区分命令时使用 switch ，且直接使用命令变量 cmd值。创建命令的宏生成的值由多个域组合而成，所以即使是相同的基数，也会判断为不同的命令。设备驱动程序想要从命令中获取该基数，就使用下面的宏：
_IOC_NR (cmd)
通常，switch 中的 case 值使用的是命令的本身。
变量型
变量型使用 arg 变量指定传送的数据大小，但是不直接代入输入，而是代入变量或者是变量的类型，原因是在使用宏创建命令，已经包含了 sizeof() 编译命令。