第四章——IOCTL（1）

4.0、几种IO模型

	阻塞	非阻塞
同步	阻塞IO	非阻塞IO
异步	IO多路复用	异步IO

1. 阻塞IO：在资源不可用时阻塞，阻塞发生在驱动中，资源可用后进程被唤醒，在阻塞期间不占用CPU，最常用。
2. 非阻塞IO：调用立即返回（即使资源不可用的情况）。
3. IO多路复用：可以同时监听多个设备的状态，如果被监听的所有设备都没有关心的事件产生，那么系统调用被阻塞。当被监听的任何一个设备有对应关心的事件发生，将会唤醒系统调用，系统调用将再次遍历所监听的设备获取其事件信息，然后系统调用返回。之后可以对设备发起非阻塞的读写操作。
4. 异步IO：调用者只是发起IO操作的请求，然后立即返回，程序可以去做别的事情，具体的IO操作在驱动中完成，驱动中可能被阻塞，也可能不阻塞。当驱动IO操作完成后，调用者将会得到通知，通常是内核向调用者发送信号，或者自动调用调用者注册的回调函数，通知操作由内核完成，而不是驱动本身。

4.1、ioctl设备操作

 内核将对设备控制的操作提供了ioctl接口。

int ioctl(int d, int request, ……);
//d：表示要操作的文件描述符
//request：代表不同操作的数字值

 看前面file_operations结构的定义，和ioctl对应的驱动函数的接口是unlocked_ioctl和compat_ioctl（32位64位兼容用，不讨论）。

long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
//分别和ioctl的3个参数对应

 在内核文档Documentation/ioctl/ioctl-decoding.txt中定义了ioctl request参数需要遵守的编码规则，这样的目的是为了避免命令的重复，从而导致应用程序的误操作。底层宏_IOC将几个部分通过移位合并。
 通过源码fs/ioctl.c可知unlocked_ioctl接口实现就是一个大的switch语句。

4.2、虚拟串口驱动添加ioctl操作

/*vser.h*/
#ifndef _VSER_H
#define _VSER_H

struct option {
	unsigned int datab; //波特率
	unsigned int parity; //奇偶校验
	unsigned int stopb; //停止位
};

#define VS_MAGIC 's'
#define VS_SET_BAUD _IOW(VS_MAGIC, 0, unsigned int) //设置波特率
#define VS_GET_BAUD _IOW(VS_MAGIC, 1, unsigned int) //获取波特率
#define VS_SET_FFMT _IOW(VS_MAGIC, 2, struct option)  //设置帧格式
#define VS_GET_FFMT _IOW(VS_MAGIC, 3, struct option) //获得帧格式
#endif

#include <linux/init.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/kfifo.h>
#include <linux/ioctl.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include "vser.h"


#define VSER_MAJOR 256
#define VSER_MINOR 0
#define VSER_DEV_CNT 1
#define VSER_DEV_NAME "vser"

struct vser_dev{
	unsigned int baud;
	struct option opt;
	struct cdev cdev;
}
DEFINE_KFIFO(vsfifo, char, 32); //定义并初始化FIFO对象
static struct vser_dev vsdev;

static int vser_open(struct inode *inode, struct file *filp){
	return 0;
}

static int vser_release(struct inode *inode, struct file *filp){
	return 0;
}

static ssize_t vser_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos) {
	int ret;
	unsigned int copied = 0;
	ret = kfifo_to_user(&vsfifo, buf, count, &copied); //将FIFO数据取出，复制到用户空间（内核视角）
	return ret == 0? copied: ret;
}

static ssize_t vser_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *pos) {
	int ret;
	unsigned int copied = 0;
	ret = kfifo_from_user(&vsfifo, buf, count, &copied);
	return ret == 0? copied: ret;
}

static long vser_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg) {
	if(_IOC_TYPE(cmd) != VS_MAGIC)
		return -ENOTTY;
	switch(cmd) {
		case VS_SET_BAUD:
		vsdev.baud = arg;
		break;
		case VS_GET_BAUD:
		arg = vsdev.baud;
		break;
		case VS_SET_FFMT:
		if(copy_from_user(&vsdev.opt, (struct option __user *)arg, sizeof(struct option)))
			return -EFAULT;
		break;
		case VS_GET_FFMT:
		if(copy_to_user((struct option __user *)arg, &vsdev.opt, sizeof(struct option)))
			return -EFAULT;
		break;
		default:
		    return -ENOTTY;
	}
	return 0;
}

static struct file_operations vser_ops = { //定义了对字符设备的不同操作
	.owner = THIS_MODULE;
	.open = vser_open;
	.release = vser_release;
	.read = vser_read;
	.write = vser_write;
	.unlocked_ioctl = vser_ioctl;
}

//加载模块
static int __init vser_init(void) {

    int ret;
	dev_t dev;
	dev = MKDEV(VSER_MAJOR, VSER_MINOR); //将主次设备号合并，主设备号占12位，次设备号占20位
	ret = register_chrdev_region(dev, VSER_DEV_CNT, VSER_DEV_NAME);
	if(ret)
		goto reg_err;

	cdev_init(&vsdev, &vser_ops);
	vsdev.cdev.owner = THIS_MODULE;
	vsdev.baud = 115200;
	vsdev.opt.datab = 8;
	vsdev.opt.parity = 0;
	vsdev.opt.stopb = 1;
	
	ret = cdev_add(&vsdev.cdev, dev, VSER_DEV_CNT);
	if(ret)
		goto add_err;
	
add_err:
    unregister_chrdev_region(dev, VSER_DEV_CNT);
	
reg_err:
    return ret;
}

//卸载模块
static void __exit vser_exit(void) {
    printk("vser_exit\n");
	dev_t dev;
	dev = MKDEV(VSER_MAJOR, VSER_MINOR);
	cdev_del(&vsdev);
	unregister_chrdev_region(dev, VSER_DEV_CNT);
}

module_init(vser_init);
module_exit(vser_exit);
MODULE_LICENSE("GPL"); //合法协议

 测试程序的完整代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <fcntl.h>
#include <errno.h>
#include "vser.h"

int main(int argc, char &argv[]) {
	int fd, ret;
	unsigned int baud;
	struct option opt = {8, 1, 1};
	
	fd = fopen("/dev/vser0", O_RDWR);
	if(fd == -1)
		goto fail;
	
	baud = 9600;
	ret = ioctl(fd, VS_SET_BAUD, baud);
	if(ret == -1)
		goto fail;
	
	ret = ioctl(fd, VS_GET_BAUD, baud);
	if(ret == -1)
		goto fail;
	
	//类似可以添加另外两个幻数
	close(fd);
	exit(EXIT_SUCCESS);
	
fail:
    perror("ioctl test");
	exit(EXIT_FAILURE);
}

 测试的指令如下：

# mknod /dev/vser0 c 256 0
# make
# make modules_install
# depmod
# modprobe vser
# gcc -o test test.c
# ./test

4.3、非阻塞IO

 设备不一定随时可以给用户提供服务。对上面的串口设备而言：

1. FIFO中没有数据，此时对读进程资源是不可用的，但是对写可用；
2. FIFO满时，对写进程是不可用的，但是对读可用；

 如果设备以非阻塞的方式打开设备文件，当资源不可用时立即返回，并用错误码EAGAIN来通知应用程序此时资源不可用，就是非阻塞IO的用法。改造读写函数：

static ssize_t vser_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *pos) {
	int ret;
	unsigned int copied = 0;
	
	if(kfifo_is_empty(&vsfifo)) //判断FIFO是否为空
		if(filp->f_flags & O_NONBLOCK)
			return -EAGAIN;
		
	ret = kfifo_to_user(&vsfifo, buf, count, &copied); //将FIFO数据取出，复制到用户空间（内核视角）
	return ret == 0? copied: ret;
}

static ssize_t vser_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *pos) {
	int ret;
	unsigned int copied = 0;
	
	if(kfifo_is_full(&vsfifo)) //判断FIFO是否为满
		if(filp->f_flags & O_NONBLOCK)
			return -EAGAIN;
	
	ret = kfifo_from_user(&vsfifo, buf, count, &copied);
	return ret == 0? copied: ret;
}