linux驱动之ioctl详解

何为ioctl?

在linux对文件IO, 有打开,读写,关闭,定位等命令, 如果需要一些自定义的命令来操作我们写的驱动, ioctl便是传入这些自定义命令的函数, 先看看在应用层的函数原型:

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

fd: 文件描述符
request: 请求, 即自定义命令
可变参数: 一般是一个, 此参数的存在与否却决于request的命令.

对文件调用ioctl, 在驱动层对应的便是
file_operations结构体中的:

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

区别在于在 64位系统上，32位的应用程序调用将会使用compat_ioctl函数。在 32位的系统上运行 32位的应用程序调用的是unlocked_ioctl。
应用层的命令会传值到第二个参数. 至于第三个参数就是应用层的可变参数, 如果arg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，使用之前需要进行正确检查。
内部有检查的，不需要检测的：
使用以下函数

copy_from_user
copy_to_user
get_user
put_user

自定义命令cmd参数

虽然是自定义命令, 以前需要遵守定义命令的规则.
如何定义有效的ioctl命令
从函数参数类型来看 命令类型是int型, 如何用int的整数,来表示命令?
linux中，将 32 位 int 型数据划分为四个位段, 代表不同的涵义:

设备类型, 有时候会用一个字母来表示, 数据长度也是8, 这和用一个数字是一样的，只是更加利于记忆和理解
内核中提供了宏用来定义命令:

// 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: ioctl数据传输方向, 占2bit, 取值可以: _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 : 设备类型，占据 8 bit，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’.
内核文档Documentation/ioctl/ioctl-number.txt中记录了内核驱动用到的type
nr : 命令编号/序数，占据 8 bit，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 函数 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；
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)))

在使用时直接使用:

_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

看个实例:

struct data{
	int x;
	char y;
};
#define IOCTL_BASE 		 		 'S'
#define GET_MODEL_NAME	 		 _IOR(iOCTL_BASE, 0, char*)  //读命令, 带参char*, 自定义0为命令编号不可重复
#define GET_GET_POWER_STATUS	 _IOR(iOCTL_BASE, 2, int) 
#define SET_DELAY_TIME 			 _IOW(IOCTL_BASE, 3, int) //向驱动写数据
#define SET_DATA				 _IOW(IOCTL_BASE, 4, struct data)

编写驱动:
实现file_operations中的unlocked_ioctl compat_ioctl 函数指针

static long my_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
	struct data tmp;
	int status = 1;
	switch(cmd){
	case GET_MODEL_NAME:
	...
	break;
	case GET_GET_POWER_STATUS:
	//数据传给应用层
	copy_to_user((unsigned char *)&arg,(unsigned char *)&status ,sizeof(int));
	break;
	case SET_DELAY_TIME:
	...
	break;
	case SET_DATA:
				//这里需要强制转换的类型为unsigned char * 保证数据按最小进行分割
	copy_from_user((unsigned char *)&tmp,(unsigned char *)args,sizeof(struct data));//拿到应用层传来的结构体
	
	break;
	}
}