linux设备驱动——ioctl函数分析

最新推荐文章于 2025-04-02 18:59:41 发布

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本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/xiaolongwoaini99/article/details/79273415

一个字符设备驱动通常会实现常规的打开、关闭、读、写等功能，但在一些细分的情境下，如果需要扩展新的功能，通常以增设ioctl()命令的方式实现，其作用类似于“拾遗补漏”。在文件I/O中，ioctl扮演着重要角色，本文将以驱动开发为侧重点，从用户空间到内核空间纵向分析ioctl函数。

用户空间的ioctl()

#include <sys/ioctl.h> 

int ioctl(int fd, int cmd, ...) ;1
2
3

参数	描述
fd	文件描述符
cmd	交互协议，设备驱动将根据cmd执行对应操作
…	可变参数arg，依赖cmd指定长度以及类型

ioctl()执行成功时返回0，失败则返回-1并设置全局变量errorno值，如下：

   EBADF d is not a valid descriptor.
    EFAULT argp references an inaccessible memory area.
   EINVAL Request or argp is not valid.
    ENOTTY d is not associated with a character special device.
   ENOTTY The specified request does not apply to the kind of object that the descriptor

因此，在用户空间使用ioctl时，可以做如下的出错判断以及处理：

int ret; ret = ioctl(fd, MYCMD);

if (ret == -1) {

printf("ioctl:%s\n", strerror(errno));

}

驱动中的ioctl()

    long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
    long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);1
2

　　在新版内核中，unlocked_ioctl()与compat_ioctl()取代了ioctl()。unlocked_ioctl()，顾名思义，应该在无大内核锁（BKL）的情况下调用；compat_ioctl()，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。

tips：在字符设备驱动开发中，一般情况下只要实现unlocked_ioctl()即可，因为在vfs层的代码是直接调用unlocked_ioctl()。

// fs/ioctl.c
static long vfs_ioctl(struct file *filp, unsignedint cmd, unsigned long arg)
{
    int error = -ENOTTY;
    if (!filp->f_op || !filp->f_op->unlocked_ioctl)
        goto out;
    error = filp->f_op->unlocked_ioctl(filp, cmd, arg);
    if (error == -ENOIOCTLCMD) {
        error = -ENOTTY;
    }
out:
    return error;
}

ioctl命令，用户与驱动之间的协议

　　前文提到ioctl方法第二个参数cmd为用户与驱动的“协议”，理论上可以为任意int型数据，可以为0、1、2、3……，但是为了确保该“协议”的唯一性，ioctl命令应该使用更科学严谨的方法赋值，在linux中，提供了一种ioctl命令的统一格式，将32位int型数据划分为四个位段，如下图所示：

在内核中，提供了宏接口以生成上述格式的ioctl命令：

// include/uapi/asm-generic/ioctl.h

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

dir(direction)，ioctl命令访问模式（数据传输方向），占据2bit，可以为_IOC_NONE、_IOC_READ、_IOC_WRITE、_IOC_READ | _IOC_WRITE，分别指示了四种访问模式：无数据、读数据、写数据、读写数据；
type(device type)，设备类型，占据8bit，在一些文献中翻译为“幻数”或者“魔数”，可以为任意char型字符，例如‘a’、‘b’、‘c’等等，其主要作用是使ioctl命令有唯一的设备标识；
tips：Documentions/ioctl-number.txt记录了在内核中已经使用的“魔数”字符，为避免冲突，在自定义ioctl命令之前应该先查阅该文档。
nr(number)，命令编号/序数，占据8bit，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；
size，涉及到ioctl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。
通常而言，为了方便会使用宏_IOC()衍生的接口来直接定义ioctl命令：// include/uapi/asm-generic/ioctl.h

/* used to create numbers */
#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)))

_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

同时，内核还提供了反向解析ioctl命令的宏接口：

// include/uapi/asm-generic/ioctl.h

/* used to decode ioctl numbers */
#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)