Linux设备控制接口

序言
设备驱动程序的一个基本功能就是管理和控制设备&＃xff0c;同时为用户应用程序提供管理和控制设备的接口。我们前面的“Hello World”驱动程序已经可以提供读写功能了&＃xff0c;在这里我们将扩展我们的驱动以支持设备控制接口&＃xff0c;在Linux中这个接口是通过ioctl函数来实现的。

设备控制接口&＃xff08;ioctl 函数&＃xff09;
回想一下我们在字符设备驱动中介绍的struct file_operations 结构&＃xff0c;这里我们将介绍一个新的方法&＃xff1a;

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

这是驱动程序设备控制接口函数&＃xff08;ioctl函数&＃xff09;的内核原型定义&＃xff0c;struct inode * 和struct file* 描述了操作的文件&＃xff0c;unsigned int 描述了ioctl命令号&＃xff0c;这是一个重要的参数&＃xff0c;我们稍后会对它做详细介绍。最后一个参数是unsigned long数据类型&＃xff0c;描述了ioctl命令可能带有的参数&＃xff0c;它可能是一个整数或指针数据。

• ioctl命令号

ioctl命令号是这个函数中最重要的参数&＃xff0c;它描述的ioctl要处理的命令。Linux中使用一个32位的数据来编码ioctl命令&＃xff0c;它包含四个部分&＃xff1a;dir&＃xff1a;type&＃xff1a;nr&＃xff1a;size。

• dir&＃xff1a;

代表数据传输的方向&＃xff0c;占2位&＃xff0c;可以是_IOC_NONE&＃xff08;无数据传输&＃xff0c;0U&＃xff09;&＃xff0c;_IOC_WRITE&＃xff08;向设备写数据&＃xff0c;1U&＃xff09;或_IOC_READ&＃xff08;从设备读数据&＃xff0c;2U&＃xff09;或他们的逻辑或组合&＃xff0c;当然只有_IOC_WRITE和_IOC_READ的逻辑或才有意义。

• type&＃xff1a;

描述了ioctl命令的类型&＃xff0c;8位。每种设备或系统都可以指定自己的一个类型号&＃xff0c;ioctl用这个类型来表示ioctl命令所属的设备或驱动。一般用ASCII码字符来表示&＃xff0c;如 &＃39;a&＃39;。

• nr&＃xff1a;

ioctl命令序号&＃xff0c;一般8位。对于一个指定的设备驱动&＃xff0c;可以对它的ioctl命令做一个顺序编码&＃xff0c;一般从零开始&＃xff0c;这个编码就是ioctl命令的序号。

• size&＃xff1a;

ioctl命令的参数大小&＃xff0c;一般14位。ioctl命令号的这个数据成员不是强制使用的&＃xff0c;你可以不使用它&＃xff0c;但是我们建议你指定这个数据成员&＃xff0c;通过它我们可以检查用户空间数据的大小以避免错误的数据操作&＃xff0c;也可以实现兼容旧版本的ioctl命令。

我们可以自己来直接指定一个ioctl命令号&＃xff0c;它可能仅仅是一个整数集&＃xff0c;但Linux中的ioctl命令号都是有特定含义的&＃xff0c;因此通常我们不推荐这么做。其实Linux内核已经提供了相应的宏来自动生成ioctl命令号&＃xff1a;

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

宏_IO用于无数据传输&＃xff0c;宏_IOR用于从设备读数据&＃xff0c;宏 _IOW用于向设备写数据&＃xff0c;宏_IOWR用于同时有读写数据的IOCTL命令。相对的&＃xff0c;Linux内核也提供了相应的宏来从ioctl命令号种解码相应的域值&＃xff1a;

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

这些宏都定义在头文件中&＃xff08;一般在头文件中&＃xff09;。一般在使用中&＃xff0c;先指定各个IOCTL命令的顺序编号&＃xff08;一般从0开始&＃xff09;&＃xff0c;然后根据使用的环境用这些宏来自动生成IOCTL命令号&＃xff0c;在后面的例子中你可以了解实际的使用场景。

• ioctl返回值

ioctl函数的返回值是一个整数类型的值&＃xff0c;如果命令执行成功&＃xff0c;ioctl返回零&＃xff0c;如果出现错误&＃xff0c;ioctl函数应该返回一个负值。这个负值会作为errno值反馈给调用此ioctl的用户空间程序。关于返回值的具体含义&＃xff0c;请参考和头文件。

• ioctl参数

这里有必要说明一下ioctl命令的参数&＃xff0c;因为它很容易犯错误。如果ioctl命令参数仅仅是一个整数&＃xff0c;那么事情很简单了&＃xff0c;我们可以在ioctl函数中直接使用它。但如果它是一个指针数据&＃xff0c;那么使用上就要小心了。首先要说明这个参数是有用户空间的程序传递过来的&＃xff0c;因此这个指针指向的地址是用户空间地址&＃xff0c;在Linux中&＃xff0c;用户空间地址是一个虚拟地址&＃xff0c;在内核空间是无法直接使用它的。为了解决在内核空间使用用户空间地址的数据&＃xff0c;Linux内核提供了以下函数&＃xff0c;它们用于在内核空间访问用户空间的数据&＃xff0c;定义在头文件中&＃xff1a;

unsigned long __must_check copy_to_user(void __user *to, const void *from, unsigned long n); unsigned long __must_check copy_from_user(void *to, const void __user *from, unsigned long n);

copy_from_user和copy_to_user一般用于复杂的或大数据交换&＃xff0c;对于简单的数据类型&＃xff0c;如int或char&＃xff0c;内核提供了简单的宏来实现这个功能&＃xff1a;

#define get_user(x,ptr) #define put_user(x,ptr)

其中&＃xff0c;x是内核空间的简单数据类型地址&＃xff0c;ptr是用户空间地址指针。
我们需要牢记&＃xff1a;在内核中是无法直接访问用户空间地址数据的。因此凡是从用户空间传递过来的指针数据&＃xff0c;务必使用内核提供的函数来访问它们。

这里有必要再一次强调的是&＃xff0c;在内核模块或驱动程序的编写中&＃xff0c;我们强烈建议你使用内核提供的接口来生成并操作ioctl命令号&＃xff0c;这样可以对命令号赋予特定的含义&＃xff0c;使我们的程序更加的健壮&＃xff1b;另一方面也可以提高程序的可移植性。

举例
好了&＃xff0c;是时候举个例子了。我们将扩展我们的helloworld驱动添加ioctl函数。

首先&＃xff0c;我们添加一个头文件来定义ioctl接口需要用到的数据&＃xff08;hello.h&＃xff09;&＃xff1a;

#ifndef _HELLO_H #define _HELLO_H #include #define MAXBUF 20 typedef struct _buf_data{ int size; char data [MAXBUF]; }buf_data; #define HELLO_IOCTL_NR_BASE            0 #define HELLO_IOCTL_NR_SET_DATA     (HELLO_IOCTL_NR_BASE &＃43; 1) #define HELLO_IOCTL_NR_MAX             (HELLO_IOCTL_NR_GET_BUFF &＃43; 1) #define HELLO_IOCTL_SET_DATA           _IOR(&＃39;h&＃39;, HELLO_IOCTL_NR_SET_DATA, buf_data*) #endif

然后为我们的驱动程序添加ioctl接口hello_ioctl&＃xff0c;并实现这个函数&＃xff1a;

static int hello_ioctl (struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg) { int cmd_nr; int err; buf_data buff; err &＃61; 0; cmd_nr &＃61; _IOC_NR (cmd); switch (cmd_nr){ case HELLO_IOCTL_NR_SET_DATA: if (copy_from_user(&buff, (unsigned char *)arg, sizeof(buf_data))) { err &＃61; -ENOMEM; goto error; } memset(hello_buf, 0, sizeof(hello_buf)); memcpy(hello_buf, buff.data, buff.size); break; default: printk("hello_ioctl: Unknown ioctl command (%d)\n", cmd); break; } error: return err; } static struct file_operations hello_fops &＃61; { .read &＃61; hello_read, .write &＃61; hello_write, .open &＃61; hello_open, .ioctl &＃61; hello_ioctl, .release &＃61; hello_release, };

后记
到这里我们已经向您展示了Linux内核驱动程序的设备控制接口&＃xff08;ioctl接口&＃xff09;&＃xff0c;详细的介绍了它的使用&＃xff0c;并给出了一个实际的例子&＃xff0c;尽管它很简单&＃xff0c;但已经足够了。到这里你可以写出一个标准的Linux驱动程序了。不过这里还有个问题&＃xff0c;那就是我们不得不从/proc/devices文件里读取设备号然后手动创建设备节点。我们是否可以让系统自动的创建这个设备节点文件呢&＃xff1f;当然可以。不过在那之前&＃xff0c;我们必须深入了解Linux的设备驱动模型。后面的章节我们就详细的介绍Linux的设备驱动模型及Hotplug机制。