一、ioctl介绍
ioctl是设备驱动程序中对设备的I/O通道进行管理的函数。所谓对I/O通道进行管理，就是对设备的一些特性进行控制。
如果不用ioctl的话，也可以实现对设备I/O通道的控制，但那是蛮拧了。例如，我们可以在驱动程序中实现write的时候检查一下是否有特殊约定的数据流通过，如果有的话，那么后面就跟着控制命令。但是如果这样做的话，会导致代码分工不明，程序结构混乱，程序员自己也会头昏眼花的。所以，我们就使用ioctl来实现控制的功能。要记住，用户程序所作的只是通过命令码(cmd)告诉驱动程序它想做什么，至于怎么解释这些命令和怎么实现这些命令，这都是驱动程序要做的事情。
二、ioctl相关函数原型介绍
- 在应用程序中
int ioctl(int fd, unsigned long cmd, ...)
-
fd：文件操作符
-
cmd：交互协议，设备驱动将根据 cmd 执行对应操作
-
…：可变参数 arg
-
在驱动程序中
long (*unlocked_ioctl) (struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);
long (*compat_ioctl) (struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);
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。在字符设备驱动开发中，一般情况下只要实现 unlocked_ioctl 函数即可。
三、ioctl 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：
- dir（direction），ioctl 命令访问模式（数据传输方向），占据 2 bit，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），是个0-0xff的数或者一个字符，占8bit。这个数是用来区分不同的驱动的，像设备号一样，内核有一个文档(
Documentation/ioctl/ioctl-number.txt)给出一些推荐的或者已经被使用的幻数。 - nr（number），命令编号/序数，8 bit，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，只需要填参数的类型，如int，函数就会帮你检测类型的正确性然后赋值sizeof(int)。
为了方便我们会使用宏 _IOC() 衍生的接口来直接定义 ioctl 命令，函数原型如下所示：
#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
四、下面举例说明ioctl相关函数怎么使用(伪代码)
- 驱动程序
#define CLOSE_CMD _IO(0XEF, 1) //关闭命令
#define OPEN_CMD _IO(0XEF, 2) //打开命令
#define SETPERIOD_CMD _IOW(0xEF, 3, int) //设置周期
static const struct file_operations timerdev_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = timer_open,
.unlocked_ioctl = timer_ioctl,
.release = timer_release,
};
static long timer_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
switch (cmd) {
case CLOSE_CMD:
break;
case OPEN_CMD:
break;
case SETPERIOD_CMD:
break;
}
return ret;
}
- 应用程序
#define CLOSE_CMD _IO(0XEF, 1) //关闭命令
#define OPEN_CMD _IO(0XEF, 2) //打开命令
#define SETPERIOD_CMD _IOW(0xEF, 3, int) //设置周期
/* 循环读取 */
while(1) {
printf("Input CMD:");
ret = scanf("%d", &cmd);
if(ret !=1 ) {
gets(str); /* 防止卡死 */
}
if(cmd == 1) { /* 关闭 */
ioctl(fd, CLOSE_CMD, &arg);
} else if(cmd == 2) { /* 打开 */
ioctl(fd, OPEN_CMD, &arg);
} else if(cmd == 3) { /* 设置周期 */
printf("Input Timer period:");
ret = scanf("%d", &arg);
if(ret !=1 ) {
gets(str);
}
ioctl(fd, SETPERIOD_CMD, &arg);
}
}
当我们在应用程序调用ioctl函数的时候，和我们之前说过的open、write等函数一样，它是通过一个file_operations 类型的结构体实现与驱动程序中的timer_ioctl函数联系上的。我们在应用程序中给ioctl函数传递cmd等参数，此时cmd能够通过unlocked_ioctl 传递给驱动程序中的timer_ioctl函数，该函数接收到cmd等参数之后就可以进行一系列的操作。具体执行什么操作，是由我们自己决定的，也即看我们想要这些cmd分别代表什么意思。
参考文章：
