Linux驱动学习6（ioctl的实现）
一、ioctl功能简介open、write函数的功能无非就是为了进行用户空间和内核空间的数据交换，而ioctl呢？大部分驱动除了需要具备读写设备的能力之外，还需要对设备具有控制能力，比如要求设备报告错误信息，弹出介质，设置波特率等。这些操作通常是通过ioctl来实现的。用户空间和内核空间实现ioctl的方法
一、ioctl功能简介
open、write函数的功能无非就是为了进行用户空间和内核空间的数据交换，而ioctl呢？
大部分驱动除了需要具备读写设备的能力之外，还需要对设备具有控制能力，比如要求设备报告错误信息，弹出介质，设置波特率等。
这些操作通常是通过ioctl来实现的。
用户空间和内核空间实现ioctl的方法
1.在用户空间中
int ioctl(int fd, unsigned long cmd, ...);
...表示的是编译器不对此参数进行类型检查，所以在我们传参的时候，尤其是传递指针的时候，需要注意了，一定要进行地址检查，否则可能产生致命的漏洞
fd是表示打开文件时得到的文件操作符，他讲会对应我们内核空间中inod和file两个参数，参数cmd表示一个ioctl指令，第三个...表示的是第二个参数cmd命令
所需要的参数，值得注意的是，该参数并不像printf中的可变参数列表，这里的...至多可以指定一个参数。当然你也可以不指定参数。当我们指定了一个参数的
时候，该参数要么是一个指针，要么是一个整数。
2.在内核空间中
int (*ioctl) (struct inode * node, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);
参数node和filp来源于用户空间的fd，cmd，arg来源于用户空间的cmd和arg，只是类型不同而已！下面看网友总结的一张图
二、如何实现ioctl方法
1.定义cmd命令
2.实现ioctl底层驱动函数
下面仔细介绍这两步
三、关于cmd
从cmd的定义就可以知道，cmd是一个unsigned int的变量，所以只不过一个数而已，所以我们先来看一个简单的示例程序
1.首先在mem_pool.h文件中定义如下命令
#define MEM_CLEAR 0x1 /*清0全局内存*/2.在底层驱动文件中mem_pool.c中的ioctl函数
/* ioctl设备控制函数 */
static int mem_pool_ioctl(struct inode *inodep, struct file *filp, unsigned
int cmd, unsigned long arg)
{
/*获得设备结构体指针*/
struct mem_pool_dev *dev = filp->private_data;
switch (cmd)
{
case MEM_CLEAR:
memset(dev->mem, 0, mem_pool_SIZE);
printk( "mem_pool is set to zero\n");
break;
default:
printk( "cmd is error \n");
return - EINVAL;
}
return 0;
}3.再看一个应用测试程序
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
/*0. 包含命令定义 */
#include "mem_pool.h"
int main()
{
int fd = 0;
int cmd;
int arg = 0;
char buf[4096] = "xbDeng";
/*1. 打开设备文件*/
fd = open("/dev/mem_pool",O_RDWR);
if (fd < 0)
{
printf("Open Dev Mem0 Error!\n");
return -1;
}
printf("%s \n",buf);
/*2. *写文件*/
if(write(fd,buf,sizeof(buf)) < 0 )
{
printf("write error !! \n");
}
/*3. 注意，要读取内容，一定要记得定位*/
lseek(fd,0,SEEK_SET);
/*4. 读文件*/
if(read(fd,buf,sizeof(buf)) < 0 )
{
printf("read error !! \n");
}
printf("read fd is %s \n",buf);
/*5. 调用命令MEM_CLEAR */
printf("<--- Call MEM_CLEAR --->\n");
cmd = MEM_CLEAR;
if (ioctl(fd, cmd, &arg) < 0)
{
printf("Call cmd MEM_CLEAR fail\n");
return -1;
}
lseek(fd,0,SEEK_SET);
/*6. 再读文件*/
if(read(fd,buf,sizeof(buf)) < 0 )
{
printf("read error !! \n");
}
printf("%s \n",buf);
/*7. 关闭文件*/
close(fd);
return 0;
}
最后能够看到打印的内容如下所示
内存清理掉后就无法读出数据了。
其实按照上面的示例来做就已经可以让我们的程序正常运行了，但是不怕一万，就怕万一，万一哪天打开错了设备文件，并且调用了相同的ioctl，这样就完蛋了。因为这个文件里面同样有cmd对应实现。为了防止这样的事情发生，内核对cmd又有了新的定义，规定了cmd都应该不一样。
四、内核中cmd的前世今生
关于cmd的前世今生，以下内容出自某位网友，个人感觉这部分他说得很好。
以下来自http://blog.chinaunix.net/uid-25014876-id-59419.html
一个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>。注：但实际上<linux/ioctl.h>中只是包含了<asm/ioctl.h>，这说明了这是跟平台相关的，
ARM的定义在<arch/arm/include/asm/ioctl.h>，但这文件也是包含别的文件<asm-generic/ioctl.h>，千找万找，终于找到了。
在<asm-generic/ioctl.h>中，cmd拆分如下：
解释一下四部分，全部都在<asm-generic/ioctl.h>和ioctl-number.txt这两个文档有说明。
1)幻数：说得再好听的名字也只不过是个0~0xff的数，占8bit(_IOC_TYPEBITS)。这个数是用来区分不同的驱动的，像设备号申请的时候一样，内核有一个文档给出一
些推荐的或者已经被使用的幻数。
/*Documentation/ioctl/ioctl-number.txt*/
164 'w' all CERN SCI driver
165 'y' 00-1F packet based user level communications
166 <mailto:zapman@interlan.net>
167 'z' 00-3F CAN bus card
168 <mailto:hdstich@connectu.ulm.circular.de>
169 'z' 40-7F CAN bus card
170 <mailto:oe@port.de>可以看到'x'是还没有人用的，我就拿这个当幻数！
2)序数：用这个数来给自己的命令编号，占8bit(_IOC_NRBITS)，我的程序从1开始排序。
3)数据传输方向：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。
1)_IOC_NONE：值为0，无数据传输。
2)_IOC_READ：值为1，从设备驱动读取数据。
3)_IOC_WRITE：值为2，往设备驱动写入数据。
4)_IOC_READ|_IOC_WRITE：双向数据传输。4)数据大小：与体系结构相关，ARM下占14bit(_IOC_SIZEBITS)，如果数据是int，内核给这个赋的值就是sizeof(int)。
强调一下，内核是要求按这样的方法把cmd分类，当然你也可以不这样干，这只是为了迎合内核的要求，让自己的程序看上去很正宗。上面我的程序没按要求照样运行。
既然内核这样定义cmd，就肯定有方法让用户方便定义：
_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)。
有生成cmd的命令就必有拆分cmd的命令：
_IOC_DIR(cmd) //从命令中提取方向
_IOC_TYPE(cmd) //从命令中提取幻数
_IOC_NR(cmd) //从命令中提取序数
_IOC_SIZE(cmd) //从命令中提取数据大小越讲就越复杂了，既然讲到这，随便就讲一下预定义命令。
预定义命令是由内核来识别并且实现相应的操作，换句话说，一旦你使用了这些命令，你压根也不要指望你的驱动程序能够收到，因为内核拿掉就把它处理掉了。
分为三类：
1)可用于任何文件的命令
2)只用于普通文件的命令
3)特定文件系统类型的命令
以上来自 http://blog.chinaunix.net/uid-25014876-id-59419.html
五、高级cmd的诞生
cmd的基础知识看完了，那么就应该小试牛刀用一用，
1.首先还是看test.h
#ifndef __TEST_H
#define __TEST_H
#include <linux/ioctl.h>
#define TEST_MAGIC 'x'
#define MEM_CLEAR _IO(TEST_MAGIC, 0) /*清0全局内存*/
#endif
2.然后看mem_pool.h
#ifndef __MEM_POOL_H
#define __MEM_POOL_H
#include <linux/ioctl.h>
#define mem_pool_SIZE 0x2000 /*全局内存最大8K字节*/
/*mem_pool设备结构体*/
struct mem_pool_dev
{
struct cdev cdev; /*cdev结构体*/
unsigned char mem[mem_pool_SIZE]; /*全局内存*/
};
#define TEST_MAGIC 'x'
#define MEM_CLEAR _IO(TEST_MAGIC, 0) /*清0全局内存*/
#define mem_pool_MAJOR 250 /*预设的mem_pool的主设备号*/
#endif
3.看我们的ioctl函数
/* ioctl设备控制函数 */
static int mem_pool_ioctl(struct inode *inodep, struct file *filp, unsigned
int cmd, unsigned long arg)
{
/*获得设备结构体指针*/
struct mem_pool_dev *dev = filp->private_data;
/*检验命令是否有效*/
if(_IOC_TYPE(cmd) != TEST_MAGIC) return - EINVAL;
switch (cmd)
{
case MEM_CLEAR:
memset(dev->mem, 0, mem_pool_SIZE);
printk( "mem_pool is set to zero\n");
break;
default:
printk( "cmd is error \n");
return - EINVAL;
}
return 0;
}4.最后就是应用程序检测了test.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
/*0. 包含命令定义 */
#include "test.h"
int main()
{
int fd = 0;
int cmd;
int arg = 0;
char buf[4096] = "xbdeng";
/*1. 打开设备文件*/
fd = open("/dev/mem_pool",O_RDWR);
if (fd < 0)
{
printf("Open Dev Mem0 Error!\n");
return -1;
}
printf("%s \n",buf);
/*2. *写文件*/
if(write(fd,buf,sizeof(buf)) < 0 )
{
printf("write error !! \n");
}
/*3. 注意，要读取内容，一定要记得定位*/
lseek(fd,0,SEEK_SET);
/*4. 读文件*/
if(read(fd,buf,sizeof(buf)) < 0 )
{
printf("read error !! \n");
}
printf("read fd is %s \n",buf);
/*5. 调用命令MEM_CLEAR */
printf("<--- Call MEM_CLEAR --->\n");
cmd = MEM_CLEAR;
if (ioctl(fd, cmd, &arg) < 0)
{
printf("Call cmd MEM_CLEAR fail\n");
return -1;
}
lseek(fd,0,SEEK_SET);
/*6. 再读文件*/
if(read(fd,buf,sizeof(buf)) < 0 )
{
printf("read error !! \n");
}
printf("%s \n",buf);
/*7. 关闭文件*/
close(fd);
return 0;
}
六、关于第三个参数arg
之前都没有讨论传参的问题，现在分析一下参数传递的问题
首先要明确的一点的是：在内核空间来说，任何从用户空间传进来的地址指针都要进行严格的检查，否则有可能出现意想不到的结果，就像我们之前的read和write函数一样
它是通过copy_from_user来进行数据交互的，毫无疑问，在这个函数中也有进行指针的检查。
1.首先是在mem_pool.h中
#ifndef __MEM_POOL_H
#define __MEM_POOL_H
#include <linux/ioctl.h>
#define mem_pool_SIZE 0x2000 /*全局内存最大8K字节*/
/*mem_pool设备结构体*/
struct mem_pool_dev
{
struct cdev cdev; /*cdev结构体*/
unsigned char mem[mem_pool_SIZE]; /*全局内存*/
};
struct ioctl_data{
unsigned int size;
char buf[10];
};
#define TEST_MAGIC 'x'
#define MEM_SET _IO(TEST_MAGIC, 0) /*清0全局内存*/
#define mem_pool_MAJOR 250 /*预设的mem_pool的主设备号*/
#endif
声明了一个结构体，后面将用到
2.然后是在test.h中
#ifndef __TEST_H
#define __TEST_H
#include <linux/ioctl.h>
#define TEST_MAGIC 'x'
#define MEM_SET _IO(TEST_MAGIC, 0) /*清0全局内存*/
struct ioctl_data{
unsigned int size;
char buf[10];
};
#endif
这里我把用户空间和内核空间的东西分开了
3.在test.c中
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
/*0. 包含命令定义 */
#include "test.h"
struct ioctl_data mydata = {
.size = 10,
.buf = "my name is",
};
int main()
{
int fd = 0;
char buf[4096] = " xbdeng";
/*1. 打开设备文件*/
fd = open("/dev/mem_pool",O_RDWR);
if (fd < 0)
{
printf("Open Dev Mem0 Error!\n");
return -1;
}
/*5. 调用命令MEM_SET */
printf("<--- Call MEM_SET --->\n");
if (ioctl(fd, MEM_SET, &mydata) < 0)
{
printf("Call cmd MEM_SET fail\n");
return -1;
}
printf("%s \n",buf);
/*7. 关闭文件*/
close(fd);
return 0;
}
4.最后在底层驱动文件中
/* ioctl设备控制函数 */
static int mem_pool_ioctl(struct inode *inodep, struct file *filp, unsigned
int cmd, unsigned long arg)
{
/*获得设备结构体指针*/
struct mem_pool_dev *dev = filp->private_data;
struct ioctl_data pdata;
printk("mem_pool_ioctl \n");
/*检验命令是否有效*/
if(_IOC_TYPE(cmd) != TEST_MAGIC) return - EINVAL;
switch (cmd)
{
case MEM_SET: return - EFAULT;
printk( "pdata.size = %d , pdata.buf = %s \n",pdata.size,pdata.buf);
break;
default:
printk( "cmd is error \n");
return - EINVAL;
}
return 0;
}
最后看完打印信息了，上面是内核打印信息，下面是用户空间打印信息，消息就是这么传进来的。
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