linux内核--字符设备之IOCTL的用法详解

一、IOCTL的系统调用

1、应用程序中的ioctl（系统IO的内容）

#include <sys/ioctl.h>
int ioctl(int d, int request, ...);

应用程序向驱动程序发送命令（cmd），然后应用程序可以向驱动程序发送数据（args），也可以从驱动程序中读数据。

2、驱动程序中，对应的ioctl

struct file_operations {
    struct module *owner;
    int (*ioctl) (struct inode *inode, struct file *filep, unsigned int cmd, unsigned long args);
    long (*unlocked_ioctl) (struct file *filep, unsigned int cmd, unsigned long args);
    ......
｝

在驱动程序中，ioctl和unlocked_ioctl的区别
在2.6.36以后linux的内核中，只支持unlocked_ioctl()，不支持ioctl（）。2.6.35.7内核中，两个函数都可以使用。

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二、IOCTL的命令构成

为了高效的使用cmd参数传递更多的控制信息，一个unsigned int cmd被分为了4个段，每一段都有各自的意义，cmd的定义在<linux/ioctl.h>。
unsigned int cmd位域拆分如下：

cmd[31:30]—数据（args）的传输方向
cmd[29:16]—数据（args）的大小
cmd[15:8]—>命令的类型，可以理解成命令的密钥，一般为ASCII码
cmd[7:0] —>命令的序号，是一个8bits的数字

 #define _IOC_NRBITS 8
 #define _IOC_TYPEBITS 8
 #define _IOC_SIZEBITS 14
 #define _IOC_DIRBITS 2
 #define _IOC_NRSHIFT 0
 #define _IOC_TYPESHIFT (_IOC_NRSHIFT+_IOC_NRBITS)
 #define _IOC_SIZESHIFT (_IOC_TYPESHIFT+_IOC_TYPEBITS)
 #define _IOC_DIRSHIFT (_IOC_SIZESHIFT+_IOC_SIZEBITS)

例：

#define ADC_INPUT_PIN   _IOW('S', 0x0c, unsigned long)

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三、ioctl的命令编码

幻数（ 幻数（TYPE ）：0~0xff，占8bit(_IOC_TYPEBITS)。为一个ASCII字符，内核<Documentation/ioctl/ioctl-number.txt>文档给出一些推荐的或者已经被使用的幻数，也可以叫做魔数

序数（NR）：为功能号，给自己的命令编号，占8bit(_IOC_NRBITS)。

数据传输方向（ 数据传输方向（DIR ）：占2bit(_IOC_DIRBITS)。如果涉及到要传参，内
核要求描述一下传输的方向，传输的方向是以应用层的角度来描述的。

 #include <asm/io.h>
 _IO(type,nr) //没有参数的命令
 _IOR(type,nr,size) //该命令是从驱动读取数据
 _IOW(type,nr,size) //该命令是从驱动写入数据
 _IOWR(type,nr,size) //双向数据传输

上面的命令已经定义了方向，我们要传的是幻数(type)
、序号(nr)和大小(size)。在这里szie的参数只需要填参
数的类型，如int，上面的命令就会帮你检测类型的正确
然后赋值sizeof(int)。

数据大小（ 数据大小（SIZE）：arg参数大小，占14bit(_IOC_SIZEBITS)。

针对unsigned int cmd的四段位域，linux中提供以下用于位域操作的宏：

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四、生成cmd的函数 ##

/* 定义幻数 */
#define DATA_MAGIC 'B‘
/* 定义命令 */
#define NODATA_CMD _IO(MAGIC_DATA, 0x20)
#define GETDATA_CMD  _IOR(MAGIC_DATA, 0x21, int)
#define SETDATA_CMD  _IOW(MAGIC_DATA, 0x22, int)

五、生成cmd的函数

1、应用程序和驱动程序之间不传递参数

#define _IO(type,nr)        _IOC(_IOC_NONE,(type),(nr),0)

2、应用程序从驱动程序中读参数

#define _IOR(type,nr,size)  _IOC(_IOC_READ,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))

3、应用程序想驱动程序写参数

#define _IOW(type,nr,size)  _IOC(_IOC_WRITE,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))

4、参数的传递是双向的。

#define _IOWR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))

参数说明：
type—>命令的类型
nr —>命令的序号
size —>参数的大小

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六、系统调用

1.系统调用号定义

arch/arm/include/asm/unistd.h
    #define __NR_ioctl          (__NR_SYSCALL_BASE+ 54)

2.系统调用入口

arch/arm/kernel/calls.S

    /* 55 */    CALL(sys_ioctl)

3.声明系统调用sys_ioctl()

/include/linux.h
    asmlinkage long sys_ioctl(unsigned int fd, unsigned int cmd, unsigned long arg);

4.系统调用安装

    SYSCALL_DEFINE3(ioctl, unsigned int, fd, unsigned int, cmd, unsigned long, arg)

    其中：
    /include/linux/syscalls.h
    #define SYSCALL_DEFINE3(name, ...)  SYSCALL_DEFINEx(3, _##name, __VA_ARGS__)
    #define SYSCALL_DEFINEx(x, sname, ...)  __SYSCALL_DEFINEx(x, sname, __VA_ARGS__)
    #define __SYSCALL_DEFINEx(x, name, ...) asmlinkage long sys##name(__SC_DECL##x(__VA_ARGS__))

5、内核系统调用接口

SYSCALL_DEFINE3(ioctl, unsigned int, fd, unsigned int, cmd, unsigned long, arg)
{
    struct file *filp;
    int error = -EBADF;
    int fput_needed;

    filp = fget_light(fd, &fput_needed);//由fd得带filp指针
    if (!filp)
        goto out;

    error = security_file_ioctl(filp, cmd, arg);
    if (error)
        goto out_fput;

    error = do_vfs_ioctl(filp, fd, cmd, arg);
 out_fput:
    fput_light(filp, fput_needed);
 out:
    return error;
}

6、do_vfs_ioctl函数

int do_vfs_ioctl(struct file *filp, unsigned int fd, unsigned int cmd,
         unsigned long arg)
{
    int error = 0;
    int __user *argp = (int __user *)arg;
    struct inode *inode = filp->f_path.dentry->d_inode;

    switch (cmd) {
    case FIOCLEX:
        set_close_on_exec(fd, 1);
        break;

    case FIONCLEX:
        set_close_on_exec(fd, 0);
        break;

    case FIONBIO:
        error = ioctl_fionbio(filp, argp);
        break;

    case FIOASYNC:
        error = ioctl_fioasync(fd, filp, argp);
        break;

    case FIOQSIZE:
        if (S_ISDIR(inode->i_mode) || S_ISREG(inode->i_mode) ||
            S_ISLNK(inode->i_mode)) {
            loff_t res = inode_get_bytes(inode);
            error = copy_to_user(argp, &res, sizeof(res)) ?
                    -EFAULT : 0;
        } else
            error = -ENOTTY;
        break;

    case FIFREEZE:
        error = ioctl_fsfreeze(filp);
        break;

    case FITHAW:
        error = ioctl_fsthaw(filp);
        break;

    case FS_IOC_FIEMAP:
        return ioctl_fiemap(filp, arg);

    case FIGETBSZ:
        return put_user(inode->i_sb->s_blocksize, argp);

    default:
        if (S_ISREG(inode->i_mode))//是否为常规文件若是常规文件
            error = file_ioctl(filp, cmd, arg);
        else
            error = vfs_ioctl(filp, cmd, arg);//调用vfs_ioctl
        break;
    }
    return error;
}

7、调用vfs_ioctl()

static long vfs_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd,
              unsigned long arg)
{
    int error = -ENOTTY;

    if (!filp->f_op || !filp->f_op->unlocked_ioctl)
        goto out;
unlocked_ioctl
    error = filp->f_op->unlocked_ioctl(filp, cmd, arg);//调用unlocked_ioctl()
    if (error == -ENOIOCTLCMD)
        error = -EINVAL;
 out:
    return error;
}