Linux驱动学习—ioctl接口

1、unlock_ioctl和ioctl有什么区别？

kernel 2.6.36 中已经完全删除了struct file_operations 中的ioctl 函数指针，取而代之的是unlocked_ioctl 。ioctl是老的内核版本中的驱动API，unlock_ioctl是当下常用的驱动API。unlocked_ioctl 实际上取代了用了很久的ioctl，主要的改进就是不再需要上大内核锁（BKL） （调用之前不再先调用lock_kernel()然后再unlock_kernel()）。

2、unlock_ioctl和read/write函数有什么相同点和不同点

相同点：都可以往内核里面写数据。

不同点：read函数只能完成读的功能，write只能完成写的功能。读取大数据的时候效率高。ioctrl既可以读也可以写。读取大数据的时候效率不高。

3、unlock_ioctl接口命令规则

第一个分区：0-7位，命令的编号，范围是0-255。

第二个分区：8-15位，命令的幻数。

注意：第一个分区个第二个分布主要作用是用来区分命令的。

第三个分区：16-29位表示传递的数据大小。

第四个分区：30-31位代表读写的方向。

00:表示用户程序和驱动程序没有数据传递。
10:表示用户程序从驱动里面读数据。
01：表示用户程序向驱动里面写数据。
11：表示先写数据到驱动里面，然后在从驱动里面把数据读出来。

这四个分区的示例图如下：

4、命令的合成宏与分解宏

4.1 合成宏

在include\uapi\asm-generic\ioctl.h

#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)))
注释如下：
_IO(type,nr)用来定义没有数据传递的命令
_IOR(type,nr,size)用来定义从驱动中读取数据的命令
IOW(type,nr,size)用来定义从驱动中写入数据的命令
_IOWR(type,nr,size)用来定义输一局交换类型的命令，先写入数据，在读取数据这类命令。
参数：
type:表示命令的组成的魔数，也就是8-15位。
nr:表示命令组成的编号，也就是0-7位。
size:表示命令组成的参数传递大小，注意这里不是传递数字，而是传递数据类型，如要传递4字节，就可以写成int.

4.2 分解宏

#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)
注释如下：
_IOC_DIR(nr)是分解命令的方向，也就是上面说30-31位的值。
_IOC_TYPE(nr)分解命令的魔数，也就是上面说的8-15位的值。
_IOC_NR(nr)分解命令的编号，也就是上面说的0-7位。
_IOC_SIZE(nr)分解命令的复制数据大小，也就是上面说的16-29位。
参数说明：
nr:要分解的命令

5、实验：在应用层使用命令合成宏和命令分解宏

值得注意的是，内核中使用的合成宏和分解宏与应用层使用的是一样的。其实可以用户和内核空间共用的头文件，里面是ioctl命令的构成和头文件。但本实例在应用层演示其使用，所以就不定义共用的头文件了。

#incldue <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
?
#define CMD_TEST0 _IO("L",0)
#define CMD_TEST1 _IO("A",1)
#define CMD_TEST2 _IOW("L",2,int)
#define CMD_TEST3 _IOR("L",3,int)
?
int main(int argc, char *argv[])
{
    printf("30-31 is %d\n",_IOC_DIR(CMD_TEST0));
    printf("30-31 is %d\n",_IOC_DIR(CMD_TEST3));
    
    printf("8-15 is %d\n",_IOC_TYPE(CMD_TEST0));
    printf("8-15 is %d\n",_IOC_TYPE(CMD_TEST1));
    
    printf("0-7 is %d\n",_IOC_NR(CMD_TEST2));
}

6、实验：驱动层和应用层使用ioctl

6.1 驱动层代码

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>//最基本的文件，支持动态添加和卸载模块
#include <linux/miscdevice.h>//注册杂项设备头文件
#include <linux/fs.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/io.h>
?
#define CMD_TEST0 _IO("L",0)
#define CMD_TEST1 _IO("A",1)
#define CMD_TEST2 _IOW("L",2,int)
#define CMD_TEST3 _IOW("L",3,int)
#define CMD_TEST4 _IOR("L",4,int)
?
ssize_t misc_read(struct file *file,char __user *ubuf, size_t size, loff_t *loff_t)
{
    char kbuf[64] = "heheh";
    
    if(copy_to_user(ubuf, kbuf, strlen(kbuf)) != 0) {
        printk("copy_to_user error\n");
        return -1;
    }
    return 0;
}
?
ssize_t misc_wirie(struct file *file,char __user *ubuf, size_t size, loff_t *loff_t)
{
    char kbuf[64] = {0};
    
    if(copy_form_user(kbuf, ubuf, strlen(kbuf)) != 0) {
        printk("copy_form_user error\n");
        return -1;
    }
    printk("kbuf is %s\n",kbuf);
    return 0;
}
?
int misc_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk("misc_open \n");
    return 0;
}
?
int misc_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk("misc_release \n");
    return 0;
}
?
long misc_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long value)
{
    int val = 0;
    
    switch(cmd)
    {
        case CMD_TEST2:
            printk("LEN ON!\n");
            printk("value is %d!!\n",value);
        break;
        case CMD_TEST3:
            printk("LEN OFF!\n");
            printk("value is %d!!\n",value);
        break;
        case CMD_TEST4:
            val = 12;
            if(copy_to_user((int *)value, &val, sizeof(val)) != 0) {
                printk("copy_to_user error\n");
 ? ? ? ? ?       return -1;
 ? ? ? ? ? ? }
        break;  
    }
}
struct file_operations misc_fops={
    .owner = THIS_MODULE,//owner 指针指向的就是你的模块
    .open  = misc_open,
    .release = misc_release,
    .read   = misc_read,
    .write  = misc_write,
    .unlocked_ioctrl = misc_ioctl 
};
    
struct miscdevice misc_dev={
    .minor=MISC_DYNAMIC_MINOR,//MISC_DYNAMIC_MINOR动态分配次设备号
    .name = "hello_misc",
    .fops = &misc_fops,
};
?
static int misc_init(void)
{
    int ret;
    ret = misc_register(&misc_dev);
    if(ret < 0)
    {
        printk("misc register is error \n");
        return ret;
    }
    printk("misc register is succeed \n");
    return 0;
}
?
static void misc_exit(void)
{
    misc_deregister(&misc_dev);
    printk("misc_exit \n");
}
?
module_init(misc_init);
module_exit(misc_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

6.2应用层ioctl函数

和open read write函数同理，当在应用层代码中调用ioctl接口的时候，其实调用的内核file_operations的unlocked_ioctl结构体成员。

#include <sys/ioctl.h> 
int ioctl(int fd, int cmd, ...) ;
参数1：设备描述符
参数2：指令，如某一个命令对应驱动层的某一个功能
参数3：可变参数，跟命令有关，传递进入驱动层的参数或者是接收数据的缓存
返回值：成功：返回 0，失败：返回 -1，并设置全局变量 errorno 值

6.3应用层代码

#incldue <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
?
#define CMD_TEST0 _IO("L",0)
#define CMD_TEST1 _IO("A",1)
#define CMD_TEST2 _IOW("L",2,int)
#define CMD_TEST3 _IOW("L",3,int)
#define CMD_TEST4 _IOR("L",4,int)
?
int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd; 
    fd = open("/dev/hello_misc",O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("open error");
        return fd;
    }
    while (1) {
        ioctl(fd,CMD_TEST2,0);
        sleep(2);
        ioctl(fd,CMD_TEST3,1);
        sleep(2);
    }
    return 0;
}

6.4 修改应用层代码，使得用到宏IOR

#incldue <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
?
#define CMD_TEST0 _IO("L",0)
#define CMD_TEST1 _IO("A",1)
#define CMD_TEST2 _IOW("L",2,int)
#define CMD_TEST3 _IOW("L",3,int)
#define CMD_TEST4 _IOR("L",4,int)
?
int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd; 
    fd = open("/dev/hello_misc",O_RDWR);
    if (fd < 0) {
        perror("open error");
        return fd;
    }
    while (1) {
        ioctl(fd,CMD_TEST4,&value);
        printf("value is %d\n",value);
        sleep(2);
    }
    return 0;
}