Linux的ioctl 驱动传参(高级字符设备七)

一、Linux的ioctl 驱动传参介绍

ioctl 是设备驱动程序中用来控制设备的接口函数,一个字符设备驱动通常需要实现设备的打开、关闭、读取、写入等功能,而在一些需要细分的情况下,就需要扩展新的功能,通常以增设 ioctl()命令的方式来实现。

1.1、应用层的ioctl

函数原型

int ioctl(int fd, unsigned int cmd, unsigned long args);

头文件

#include <sys/ioctl.h>

函数作用

用于向设备发送控制和配置命令。

参数含义

fd :是用户程序打开设备时返回的文件描述符

cmd :是用户程序对设备的控制命令,

args:应用程序向驱动程序下发的参数,如果传递的参数为指针类型,则可以接收驱动向用户空间传递的数据

上述三个参数中,最重要的是第二个 cmd 参数,为 unsigned int 类型,为了高效的使用cmd 参数传递更多的控制信息,一个 unsigned int cmd 被拆分为了4 段,每一段都有各自的意义,unsigned int cmd 位域拆分如下:

c 复制代码
cmd[31:30]---数据(args)的传输方向(读写)
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(0-255的一个字符,有部分字符已经被占用,每个字符的序号段可能部分被占用)
cmd[7:0] --->命令的序号,是一个 8bits 的数字(序号,0-255 之间)

cmd 参数由 ioctl 合成宏定义得到,四个合成宏定义如下所示:

定义一个命令,但是不需要参数:

c 复制代码
#define _IO(type,nr) _IOC(_IOC_NONE,(type),(nr),0)

定义一个命令,应用程序从驱动程序读参数:

c 复制代码
#define _IOR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))

定义一个命令,应用程序向驱动程序写参数:

c 复制代码
#define _IOW(type,nr,size) _IOC(_IOC_WRITE,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))

定义一个命令,参数是双向传递的:

c 复制代码
#define _IOWR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))

宏定义参数说明如下所示:

c 复制代码
type:命令的类型,一般为一个 ASCII 码值,一个驱动程序一般使用一个type
nr:该命令下序号。一个驱动有多个命令,一般他们的type,序号不同
size:args 的类型

例如可以使用以下代码定义不需要参数、向驱动程序写参数、向驱动程序读参数三个宏:

c 复制代码
#define CMD_TEST0 _IO('L',0)
#define CMD_TEST1 _IOW('L',1,int)
#define CMD_TEST2 _IOR('L',2,int)

1.2、驱动层的ioctl

应用程序中 ioctl 函数会调用 file_operation 结构体中的 unlocked_ioctl 接口,接口定义如下所示:

c 复制代码
long (*unlocked_ioctl) (struct file *file , unsigned int cmd, unsigned long arg);

file:文件描述符。

cmd:与应用程序的 cmd 参数对应,在驱动程序中对传递来的cmd 参数进行判断从而做出不同的动作。

arg:与应用程序的 arg 参数对应,从而实现内核空间和用户空间参数的传递。

二、代码示例

2.1、应用层程序

c 复制代码
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <string.h>

#define CMD_TEST0 _IO('L',0)
#define CMD_TEST1 _IOW('L',1,int)
#define CMD_TEST2 _IOR('L',2,int)

int main(int argc,char *argv[]){

	int fd;//定义int类型的文件描述符fd
	int val;//定义int类型的传递参数val
	fd = open("/dev/test",O_RDWR);//打开test设备节点
	if(fd < 0){
		printf("file open fail\n");
	}
	if(!strcmp(argv[1], "write")){
		ioctl(fd,CMD_TEST1,1);//如果第二个参数为write,向内核空间写入1
	}
	else if(!strcmp(argv[1], "read")){
		ioctl(fd,CMD_TEST2,&val);//如果第二个参数为read,则读取内核空间传递向用户空间传递的值
		printf("val is %d\n",val);

    }
	close(fd);
}

2.2、驱动层程序

c 复制代码
#include <linux/module.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/uaccess.h>
#define CMD_TEST0 _IO('L',0)
#define CMD_TEST1 _IOW('L',1,int)
#define CMD_TEST2 _IOR('L',2,int)

struct device_test{

    dev_t dev_num;  //设备号
     int major ;  //主设备号
    int minor ;  //次设备号
    struct cdev cdev_test; // cdev
    struct class *class;   //类
    struct device *device; //设备
    char kbuf[32];
};
static struct device_test dev1;


static long cdev_test_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
	int val;//定义int类型向应用空间传递的变量val
	switch(cmd){
        case CMD_TEST0:
            printk("this is CMD_TEST0\n");
            break;		
        case CMD_TEST1:
            printk("this is CMD_TEST1\n");
			printk("arg is %ld\n",arg);//打印应用空间传递来的arg参数
            break;
        case CMD_TEST2:
			val = 1;//将要传递的变量val赋值为1
            printk("this is CMD_TEST2\n");
			if(copy_to_user((int *)arg,&val,sizeof(val)) != 0){//通过copy_to_user向用户空间传递数据
				printk("copy_to_user error \n");	
			}
            break;			
	default:
			break;
	}
	return 0;
}
/*设备操作函数*/
struct file_operations cdev_test_fops = {
    .owner = THIS_MODULE, //将owner字段指向本模块,可以避免在模块的操作正在被使用时卸载该模块
	.unlocked_ioctl = cdev_test_ioctl,
};
static int __init timer_dev_init(void) //驱动入口函数
{
    /*注册字符设备驱动*/
    int ret;
    /*1 创建设备号*/
    ret = alloc_chrdev_region(&dev1.dev_num, 0, 1, "alloc_name"); //动态分配设备号
    if (ret < 0)
    {
       goto err_chrdev;
    }
    printk("alloc_chrdev_region is ok\n");

    dev1.major = MAJOR(dev1.dev_num); //获取主设备号
    dev1.minor = MINOR(dev1.dev_num); //获取次设备号

    printk("major is %d \r\n", dev1.major); //打印主设备号
    printk("minor is %d \r\n", dev1.minor); //打印次设备号
     /*2 初始化cdev*/
    dev1.cdev_test.owner = THIS_MODULE;
    cdev_init(&dev1.cdev_test, &cdev_test_fops);

    /*3 添加一个cdev,完成字符设备注册到内核*/
   ret =  cdev_add(&dev1.cdev_test, dev1.dev_num, 1);
    if(ret<0)
    {
        goto  err_chr_add;
    }
    /*4 创建类*/
  dev1. class = class_create(THIS_MODULE, "test");
    if(IS_ERR(dev1.class))
    {
        ret=PTR_ERR(dev1.class);
        goto err_class_create;
    }
    /*5  创建设备*/
  	dev1.device = device_create(dev1.class, NULL, dev1.dev_num, NULL, "test");
    if(IS_ERR(dev1.device))
    {
        ret=PTR_ERR(dev1.device);
        goto err_device_create;
    }

return 0;

err_device_create:
        class_destroy(dev1.class);                 //删除类

err_class_create:
       cdev_del(&dev1.cdev_test);                 //删除cdev

err_chr_add:
        unregister_chrdev_region(dev1.dev_num, 1); //注销设备号

err_chrdev:
        return ret;
}

static void __exit timer_dev_exit(void) //驱动出口函数
{
    /*注销字符设备*/
    unregister_chrdev_region(dev1.dev_num, 1); //注销设备号
    cdev_del(&dev1.cdev_test);                 //删除cdev
    device_destroy(dev1.class, dev1.dev_num);       //删除设备
    class_destroy(dev1.class);                 //删除类
}
module_init(timer_dev_init);
module_exit(timer_dev_exit);

2.3、Linux的ioctl 驱动传参使用API要点

2.3.1、应用层
c 复制代码
#define CMD_TEST0 _IO('L',0)
#define CMD_TEST1 _IOW('L',1,int)
#define CMD_TEST2 _IOR('L',2,int)
c 复制代码
ioctl(fd,CMD_TEST1,1);//如果第二个参数为write,向内核空间写入1
2.3.2、驱动层
c 复制代码
#define CMD_TEST0 _IO('L',0)
#define CMD_TEST1 _IOW('L',1,int)
#define CMD_TEST2 _IOR('L',2,int)
c 复制代码
static long cdev_test_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
	int val;//定义int类型向应用空间传递的变量val
	switch(cmd){
        case CMD_TEST0:
            printk("this is CMD_TEST0\n");
            break;		
        case CMD_TEST1:
            printk("this is CMD_TEST1\n");
			printk("arg is %ld\n",arg);//打印应用空间传递来的arg参数
            break;
        case CMD_TEST2:
			val = 1;//将要传递的变量val赋值为1
            printk("this is CMD_TEST2\n");
			if(copy_to_user((int *)arg,&val,sizeof(val)) != 0){//通过copy_to_user向用户空间传递数据
				printk("copy_to_user error \n");	
			}
            break;			
	default:
			break;
	}
	return 0;
}
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