第八章Linux的应用层和驱动层的ioctl函数讲解
对于日常开发中的设备，它一般除了常规的读写操作来收发数据和保存数据外，通常还需要有更多其他的操作来实现更为复杂的功能，例如对于一个串口通信设备，它就需要具有波特率的设置和获取、数据帧格式的获取和设置等功能。
正因为硬件设备往往需要各自繁杂的操作，因此linux内核一般情况会将读写之外的I/o操作会分派给ioctl()函数来实现其他复杂的操作。
8.1应用层ioctl函数讲解
/*函数功能:ioctl控制函数 *函数参数: *@int fd:用户程序打开设备时返回的文件描述符 *@unsigned long request:用户程序对设备的控制命令 *函数返回值： *@成功：返回0 *@失败：返回小于0的值 */ #include <sys/ioctl.h> int ioctl(int fd, unsigned long request, ...); 常用函数原型: int ioctl(int fd, unsigned int cmd, unsigned long args); int ioctl(int fd, unsigned int cmd);
对于ioctl()函数第二个参数cmd而言，它是一个应用层程序向内核驱动设备发送的一个控制命令，这个命令一般不是单纯的传入一个随机的整型数的，在linux中给出了如下对ioctl()函数命令的定义建议:
(1) 命令码中的设备类型使用”幻数”进行填充，其中幻数的范围是在0x00~0xFF之间，由于内核中的ioctl-number.txt已经给出了一些推荐的幻数，如果需要新定义设备驱动的“幻数”时，此时需要注意新定义的是否与已有的幻数进行冲突。
(2) 命令码的序列号为8位。
(3) 命令吗的方向字段则为2位，其中可能是如下的值:
_IOC_NONE 无数据传输_IOC_READ 读数据 _IOC_WRITE 写数据 _IOC_READ|_IOC_WRITE 读写数据同时使能
(4) 命令码的数据长度这个与用户数据大小相关，它的长度通常为13位或者14位
linux为了考虑到编程的便利和规范性，对于命令的生成，linux给出了四个函数用来辅助生成，其中包括_IO()、_IOR()、_IOW()和_IOWR()。如下为这四个函数的定义:
#define _IOC(dir,type,nr,size) \((unsigned int) \ (((dir) << _IOC_DIRSHIFT) | \ ((type) << _IOC_TYPESHIFT) | \ ((nr) << _IOC_NRSHIFT) | \ ((size) << _IOC_SIZESHIFT))) /* used to create numbers */ #define _IO(type,nr) _IOC(_IOC_NONE,(type),(nr),0) #define _IOR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ,(type),(nr),sizeof(size)) #define _IOW(type,nr,size) _IOC(_IOC_WRITE,(type),(nr),sizeof(size)) #define _IOWR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE,(type),(nr),sizeof(size))
由上面的定义可以看出，这些辅助宏函数的主要作用在于传入type（设备类型字段）、nr（序列号字段）和size(数据长度字段)以及宏名隐含的方向字段位移组合来进行生成相应的命令码。
一般在我们编写代码时会将相应的命令码生成提前用宏来定义，例如如下定义了对led灯操作的命令定义:
#define GEC6818_LED_ON _IOW('L', 1, unsigned long)
#define GEC6818_LED_OFF _IOW('L', 2, unsigned long)
8.2驱动层ioctl函数讲解
对于驱动层的ioctl的函数原型来说是与应用层的ioctl函数原型是有点差别的，具体如下为驱动层的ioctl函数的原型:
*函数参数:/*函数功能:驱动层ioctl控制函数 *@struct file *filp:内核打开设备文件的指针
*@unsigned int cmd: 用户程序发送过来的对设备的控制命令
*@unsigned long args:发送给应用程序的参数
*函数返回值：
*@成功：返回0
*@失败：返回小于0的值
*/
long (*unlocked_ioctl) (struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long args);
从这个驱动层的函数原型来看，它的cmd和args参数都是与应用层的ioctl函数对应起来了，可以接收来自应用层的控制命令和参数，实现对驱动设备的控制。
在了解了驱动层的ioctl函数定义后，要让它能够可以在内核驱动中起到作用，还需要进行一步操作就是，需要将定义好ioctl驱动函数的地址赋值给struct file_operations结构体中的unlocked_ioctl函数指针，然后再注册进内核，则该ioctl函数才能够正常使用，如下为将控制led灯的ioctl驱动函数赋值给file_operations的例子：
static long gec6818_led_ioctl (struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long args)
{
//获取当前要控制的LED灯
unsigned long led_pos = args - 7;
switch(cmd)
{
case GEC6818_LED_ON:
gpio_set_value(led_gpio_info_tbl[led_pos].num,0);
break;
case GEC6818_LED_OFF:
gpio_set_value(led_gpio_info_tbl[led_pos].num,1);
break;
default:
return -ENOIOCTLCMD;
}
return 0;
}
static const struct file_operations gec6818_led_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.unlocked_ioctl = gec6818_led_ioctl,
.open = gec6818_led_open,
.release = gec6818_led_release,
.read = gec6818_led_read,
};
8.3 ioctl函数应用示例讲解
在讲解完应用层和驱动层的ioctl函数的相关知识后，接下来将给出利用ioctl函数来实现对led灯控制的事例代码:
在驱动led_drv.c中定义了ioctl函数”static long gec6818_led_ioctl (struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long args)”，主要是用来控制指定的LED的亮灭情况，其中具体流程如下:
(1) 首先通过参数args传入来判断是需要控制哪一个LED灯的状态。
(2) 然后再通过传入参数cmd来对该灯进行控制亮灭，其中定义了如下两个宏来进行控制:
#define GEC6818_LED_ON _IOW('L', 1, unsigned long)
#define GEC6818_LED_OFF _IOW('L', 2, unsigned long)
(1) 对于ioctl中出现了如下的gpio_set_value函数是对应于后面章节GPIO框架函数的内容，将在后续章节进行详细讲解，下面仅提供函数的定义:
/*函数功能: gpio_set_value为gpio框架的驱动函数，用于设置GPIO的状态值
*函数参数:
*@unsigned int gpio:为对应的GPIO值
*@ int value:为需要设置GPIO的状态值
*函数返回值：无
*/
static inline void gpio_set_value(unsigned int gpio, int value)
{
__gpio_set_value(gpio, value);
}
led_drv.c驱动代码
#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/io.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <cfg_type.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/ioctl.h>
#define GEC6818_LED_ON _IOW('L', 1, unsigned long)
#define GEC6818_LED_OFF _IOW('L', 2, unsigned long)
struct led_gpio_info{
unsigned int num;
char name[20];
};
static const struct led_gpio_info led_gpio_info_tbl[4]={
{
.num = PAD_GPIO_E+13,
.name = "gpioe13",
},
{
.num = PAD_GPIO_C+7,
.name = "gpioc7",
},
{
.num = PAD_GPIO_C+8,
.name = "gpioc8",
},
{
.num = PAD_GPIO_C+17,
.name = "gpioc17",
},
};
static int gec6818_led_open (struct inode * inode, struct file *file)
{
int i=0;
//配置GPIOE13、GPIOC17、GPIOC7、GPIOC8为输出模式
for(i=0; i<4; i++)
gpio_direction_output(led_gpio_info_tbl[i].num,1);
printk("gec6818_led_open \n");
return 0;
}
static int gec6818_led_release (struct inode * inode, struct file *file)
{
printk("gec6818_led_release \n");
return 0;
}
static long gec6818_led_ioctl (struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long args)
{
//获取当前要控制的LED灯
unsigned long led_pos = args - 7;
switch(cmd)
{
case GEC6818_LED_ON:
gpio_set_value(led_gpio_info_tbl[led_pos].num,0);
break;
case GEC6818_LED_OFF:
gpio_set_value(led_gpio_info_tbl[led_pos].num,1);
break;
default:
return -ENOIOCTLCMD;
}
return 0;
}
static ssize_t gec6818_led_read (struct file *file, char __user *buf, size_t len, loff_t * offs)
{
return 0;
}
static const struct file_operations gec6818_led_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.unlocked_ioctl = gec6818_led_ioctl,
.open = gec6818_led_open,
.release = gec6818_led_release,
.read = gec6818_led_read,
};
static struct miscdevice gec6818_led_miscdev = {
.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR, //MISC_DYNAMIC_MINOR,动态分配次设备号
.name = "gec6818_leds", //设备名称,/dev/gec6818_leds
.fops = &gec6818_led_fops, //文件操作集
};
//入口函数
static int __init gec6818_led_init(void)
{
int rt=0;
int i=0;
//混杂设备的注册
rt = misc_register(&gec6818_led_miscdev);
if (rt)
{
printk("misc_register fail\n");
return rt;
}
//这招是损招，先释放gpio占用的资源
for(i=0; i<4; i++)
gpio_free(led_gpio_info_tbl[i].num);
//申请GPIOE13、GPIOC7、GPIOC8、GPIOC17
for(i=0; i<4; i++)
{
rt=gpio_request(led_gpio_info_tbl[i].num,
led_gpio_info_tbl[i].name);
if(rt < 0)
{
printk("gpio_request:%s fail\n",led_gpio_info_tbl[i].name);
goto gpio_request_fail;
}
}
printk("gec6818 led init\n");
return 0;
gpio_request_fail:
for(i=0; i<4; i++)
gpio_free(led_gpio_info_tbl[i].num);
misc_deregister(&gec6818_led_miscdev);
return rt;
}
//出口函数
static void __exit gec6818_led_exit(void)
{
int i;
for(i=0; i<4; i++)
gpio_free(led_gpio_info_tbl[i].num);
misc_deregister(&gec6818_led_miscdev);
printk("gec6818 led exit\n");
}
//驱动程序的入口：insmod led_drv.ko调用module_init，module_init又会去调用gec6818_led_init。
module_init(gec6818_led_init);
//驱动程序的出口：rmsmod led_drv调用module_exit，module_exit又会去调用gec6818_led_exit。
module_exit(gec6818_led_exit)
//模块描述
MODULE_AUTHOR("stephenwen88@163.com"); //作者信息
MODULE_DESCRIPTION("gec6818 led driver"); //模块功能说明
MODULE_LICENSE("GPL"); //许可证：驱动遵循GPL协议
led_test.c应用层代码,从代码中可以看出应用层传入的cmd的宏定义值与驱动层的ioctl中的宏定义值相同，然后再传入args参数来指定需要控制哪一个LED灯，即可完成整个LED灯的控制过程，最终运行程序后可以看到一个流水灯的效果:
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>
#define GEC6818_LED_ON _IOW('L', 1, unsigned long)
#define GEC6818_LED_OFF _IOW('L', 2, unsigned long)
int main(int argc, char **argv)
{
int fd=-1;
int len;
int i=0;
//打开gec6818_leds设备
fd = open("/dev/gec6818_leds",O_RDWR);
if(fd < 0)
{
perror("open /dev/gec6818_leds:");
return fd;
}
while(1)
{
for(i=7; i<11; i++)
{
ioctl(fd,GEC6818_LED_ON,i);
sleep(1);
ioctl(fd,GEC6818_LED_OFF,i);
sleep(1);
}
}
close(fd);
return 0;
}
8.4本章总结
本章节主要讲解了驱动层中的一个比较重要的函数ioctl的实现过程，ioctl函数能够让程序实现对设备进行一些较为复杂的操作，同时讲解了关于应用层ioctl和驱动层ioctl的有关联系，以及给出了利用ioctl函数实现对设备操作的事例，加深对驱动中的ioctl的理解，为后续的设备驱动学习起到铺垫的作用。
查看16道真题和解析