设备驱动程序学习笔记(4)-设备控制ioctl方法

By:             潘云登

Date:          2009-6-2

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写在前面

1.          本文内容对应《linux设备驱动程序》第六章。

2.          参考俞永昌的《设备驱动开发技术及应用》，以及Documentation/ioctl-number.txt和include/asm/ioctl.h两个文件。

3.          希望本文对您有所帮助，也欢迎您给我提意见和建议。

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设备控制

ioctl

对于那种不传送数据而只响应命令的设备，如机器人J，可以通过向设备写入控制序列进行控制。然而，对于具备读写操作的设备，通过打印序列进行控制将给设备增加策略限制。更好的设备控制方式是ioctl方法。在用户空间，ioctl系统调用具有如下原型：

int ioctl(int fd, unsigned long cmd, char *argp);

控制命令cmd由用户空间不加修改地传递到驱动程序的ioctl方法。argp为可选参数，它可以是一个整型参数或者是一个指针参数，具体形式依赖于要完成的控制命令cmd。使用指针可以向ioctl调用传递任意数据，从而与用户空间交换任意数量的数据。不论argp是何种类型，它都以unsigned long的形式传递给驱动程序。然后，由驱动程序根据具体情况进行类型转换，如转换为整型指针（int __user *）arg，__user表明指针是一个用户空间地址，不能直接引用。驱动程序的ioctl方法原型如下：

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

其返回值，也是系统调用的返回值，可以向用户空间提供设备信息。负的返回值被认为是一个错误，通常为-ENOTTY (不合适的设备ioctl) 或-EINVAL (非法参数)，被用来设置用户空间的errno变量。

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控制命令

高位                                                                         低位
2位	14位	8位	8位
direction	size	number	type

Ø         type：幻数，可以在Documentation/ioctl-number.txt中选择一个未使用的号码。如果整个控制命令能够被内核识别，将无法到达驱动程序。

Ø         number：序数，一般从0开始顺序编号。

Ø         size：用户数据大小，用于检查参数类型的大小，如sizeof(int) < (1 << size)。

Ø         direction：数据传输方向，可以使用的值包括 _IOC_NONE (无数据传输)， _IOC_READ (从设备中读数据)， _IOC_WRITE (向设备写数据)，以及 _IOC_READ|_IOC_WRITE (双向数据传输)。

<linux/ioctl.h>中包含的<asm/ioctl.h>头文件定义了一些构造命令编号的宏：

_IO(type,nr) _IOR(type,nr,datatype) _IOW(type,nr,datatype) _IOWR(type,nr,datatype)

以及用于解开位字段的宏：

_IOC_TYPE(nr) _IOC_NR(nr) _IOC_SIZE(nr) _IOC_DIR(nr)

大多数ioctl的实现中都包含了一个switch语句来根据控制命令选择对应的操作。

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ioctl

工作模型

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scull

中的几处检查

Ø         控制命令检查

检查设备幻数和命令序数。

if (_IOC_TYPE(cmd) != SCULL_IOC_MAGIC) return -ENOTTY; if (_IOC_NR(cmd) > SCULL_IOC_MAXNR) return -ENOTTY;

Ø         用户地址空间检查

当用一个指针指向用户空间时，必须确保指向的用户空间是合法的，这通过access_ok函数完成。通常不需要真正调用access_ok，因为数据交换函数copy_to_user, copy_from_user, put_user, get_user 会处理它。

int access_ok(int type, const void *addr, unsigned long size);   /*scull*/ if (_IOC_DIR(cmd) & _IOC_READ)           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;

Ø         权能检查

对设备的读写访问由设备文件的权限控制，驱动程序通常不进行权限检查。然而，当用户试图修改设备参数时，设备驱动程序应该检查调用进程是否有合适的权能，这通过capable函数完成。

int capable(int capability); /*scull*/ if (! capable (CAP_SYS_ADMIN))           return -EPERM;