Linux系统调用——ioctl()

ioctl 是设备驱动程序中设备控制接口函数，通过指定的命令来实现对应的操作。

• 用户空间

  int ioctl(int fd, int cmd, ...) ;
  

  • cmd： 交互协议，设备驱动将根据 cmd 执行对应操作

  • ...： 可变参数 arg

  驱动程序

  long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
  long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
  

  在linux内核2.6.36以后版本中使用上面两个函数取代了ioctl()。

  • unlocked_ioctl： 在无大内核锁的情况下调用，一般使用这个。

  • compat_ioctl：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。

  协议cmd

  第二个参数 cmd 为用户与驱动的 “协议”，可以是任意 int 型数据，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。

  内核提供了宏来生成ioctl命令：

  #define _IOC(dir,type,nr,size) \
      (((dir)  << _IOC_DIRSHIFT) | \
       ((type) << _IOC_TYPESHIFT) | \
       ((nr)   << _IOC_NRSHIFT) | \
       ((size) << _IOC_SIZESHIFT))
  

  1. 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；
  2. type（device type），设备类型，占据 8 bit，又称为 “幻数” 或者 “魔数”，可以为任意 char 型字符，例如‘a’、’b’、’c’ 等等，其主要作用是使 ioctl 命令有唯一的设备标识；
  3. nr（number），命令编号/序数，占据 8 bit，可以为任意 unsigned char 型数据，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；
  4. 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；

  通常，为了方便会使用宏 _IOC() 衍生的接口来直接定义 ioctl 命令：

  #define _IO(type,nr)        _IOC(_IOC_NONE,(type),(nr),0)	//定义不带参数的 ioctl 命令
  #define _IOR(type,nr,size)  _IOC(_IOC_READ,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))	//定义											带写参数的 ioctl 命令（copy_from_user）
  #define _IOW(type,nr,size)  _IOC(_IOC_WRITE,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))	//定义											带读参数的ioctl命令（copy_to_user）
  #define _IOWR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))		//定义带读写参数的 ioctl 命令
  

  同时，内核还提供了反向解析ioctl命令的宏接口：

  #define _IOC_DIR(nr)        (((nr) >> _IOC_DIRSHIFT) & _IOC_DIRMASK)
  #define _IOC_TYPE(nr)       (((nr) >> _IOC_TYPESHIFT) & _IOC_TYPEMASK)
  #define _IOC_NR(nr)     (((nr) >> _IOC_NRSHIFT) & _IOC_NRMASK)
  #define _IOC_SIZE(nr)       (((nr) >> _IOC_SIZESHIFT) & _IOC_SIZEMASK)