【北京迅为】《i.MX8MM嵌入式Linux开发指南》-第三篇 嵌入式Linux驱动开发篇-第五十六章 设备驱动IO控制

北京迅为2024-07-25 19:06

i.MX8MM处理器采用了先进的14LPCFinFET工艺，提供更快的速度和更高的电源效率;四核Cortex-A53，单核Cortex-M4，多达五个内核 ，主频高达1.8GHz，2G DDR4内存、8G EMMC存储。千兆工业级以太网、MIPI-DSI、USB HOST、WIFI/BT、4G模块、CAN、RS485等接口一应俱全。H264、VP8视频硬编码，H.264、H.265、VP8、VP9视频硬解码，并提供相关历程,支持8路PDM接口、5路SAI接口、2路Speaker。系统支持Android9.0(支持获取root限)Linux4.14.78+Qt5.10.1、Yocto、Ubuntu20、Debian9系统。适用于智能充电桩，物联网，工业控制，医疗，智能交通等，可用于任何通用工业和物联网应用、

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第五十六章 设备驱动IO控制

本章导读

本章节我们将来学习ioctl接口，那么我们在学习之前先来回想一下，我们以前操作一个GPIO是怎么操作的呢？在前面章节中我们使用GPIO函数来操作GPIO的，在使用GPIO函数之前是使用寄存器来进行操作的，我们使用GPIO函数操作GPIO比直接使用寄存器来操作GPIO进一步升级了。我们操作GPIO的时候，使用的是逻辑判断，kbuf[0]的数据是从应用层传递过来的我们要使用到copy_from_usr。当我们在应用层write驱动节点的时候，会触发驱动层的write函数，然后我们在write函数里面控制我们的GPIO。虽然这样的方法是可以的，但是这样的方法是不是比较麻烦呢？有没有更简单的办法呢？当然是有了，方法就是我们这节课讲的ioctl接口。

56.1章节讲解了设备驱动IO控制原理

56.2章节编写驱动程序和应用程序，测试应用层不传递数据

56.3章节编写驱动程序和应用程序，测试应用层写数据

56.4章节编写驱动程序和应用程序，测试应用层读数据

本章内容对应视频讲解链接（在线观看）：

ioctl接口(一) → https://www.bilibili.com/video/BV1Vy4y1B7ta?p=32

ioctl接口(二) → https://www.bilibili.com/video/BV1Vy4y1B7ta?p=33

程序源码在网盘资料"iTOP-i.MX8MM开发板\02-i.MX8MM开发板网盘资料汇总(不含光盘内容)\嵌入式Linux开发指南(iTOP-i.MX8MM)手册配套资料\2.驱动程序例程\013-设备驱动io控制"路径下。

56 .1 设备驱动IO控制原理

在内核3.0 以前，ioctl接口的名字叫ioctl;内核3.0以后，ioctl接口的名字叫unlocked_ioctl。unlocked_ioctl就是ioctl接口，但是功能和对应的系统调用均没有发生变化。unlocked_ioctl和read/write函数有什么异同呢？相同点：都可以往内核写数据。不同点：read函数只能完成读的功能，write只能完成写的功能。读取大数据的时候效率高。ioctl既可以读也可以写，读取大数据的时候效率不高。

我们现在有了ioctl函数，内核已经把工作的任务给我们区分了，定义命令就不再使用read和write函数了，而是使用ioctl函数，因为ioctl函数的任务就是对我们的工作参数进行设置和查询，write和read函数专注于数据传输。

在驱动程序里， ioctl()函数上传送的变量 cmd是应用程序用于区别设备驱动程序请求处理内容的值。cmd除了可区别数字外，还包含有助于处理的几种相应信息。 cmd的大小为 32位，共分 4 个域，命令规则为：

第一个分区：0-7，命令的编号，范围是0-255.

第二个分区：8-15，命令的幻数。

第一个分区和第二个分区主要作用是用来区分命令的。

第三个分区：16-29表示传递的数据大小。

第四个分区：30-31 代表读写的方向。

00：表示用户程序和驱动程序没有数据传递

10：表示用户程序从驱动里面读数据

01：表示用户程序向驱动里面写数据

11：先写数据到驱动里面然后在从驱动里面把数据读出来。

合成宏：

_IO(type,nr) ：用来定义没有数据传递的命令

_IOR(type,nr,size) ：用来定义从驱动中读取数据的命令

_IOW(type,nr,size) ：用来定义向驱动写入数据的命令

_IOWR(type,nr,size) ：用来定义数据交换类型的命令，先写入数据，再读取数据这类命令。

参数说明：

  • type：表示命令组成的魔数，也就是8~15位
  • nr：表示命令组成的编号，也就是0~7位
  • size：表示命令组成的参数传递大小，注意这里不是传递数字，而是数据类型，如要传递4字节，就可以写成int。

分解宏：

_IOC_DIR(nr) ：分解命令的方向，也就是上面说30~31位的值

_IOC_TYPE(nr) ：分解命令的魔数，也就是上面说8~15位的值

_IOC_NR(nr) ：分解命令的编号，也就是上面说0~7位

_IOC_SIZE(nr) ：分解命令的复制数据大小，也就是上面说的16~29位

参数说明：

  • nr ：要分解的命令

验证程序代码如下所示：

cpp 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>
#define CMD_TEST0 _IO('L', 0)
#define CMD_TEST1 _IO('A', 1)
#define CMD_TEST2 _IOW('L', 2, int)
#define CMD_TEST3 _IOR('L', 3, int)

int main(int argc, char *argv[])
{
    printf("30-31 is %d \n", _IOC_DIR(CMD_TEST0));
    printf("30-31 is %d \n", _IOC_DIR(CMD_TEST3));

    printf("7-15 is %c \n", _IOC_TYPE(CMD_TEST0));
    printf("7-15 is %c \n", _IOC_TYPE(CMD_TEST1));

    printf("0-7 is %d \n", _IOC_NR(CMD_TEST2));
}

那么我们定义的这些命令要怎么用呢？第一种方法是用分解宏将它分解出来，还有一种用法是搭配switch来用。

56 . 2 编写测试-不传递数据

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我们拷贝第42章的驱动代码，在此基础上进行修改，完整代码如下所示：

cpp 复制代码 
//初始化头文件
#include <linux/init.h>
//最基本的文件，支持动态添加和卸载模块。
#include <linux/module.h>
//包含了miscdevice结构的定义及相关的操作函数。
#include <linux/miscdevice.h>
//文件系统头文件，定义文件表结构（file,buffer_head,m_inode等）
#include <linux/fs.h>
//包含了copy_to_user、copy_from_user等内核访问用户进程内存地址的函数定义。
#include <linux/uaccess.h>
//包含了ioremap、iowrite等内核访问IO内存等函数的定义。
#include <linux/io.h>
//驱动要写入内核，与内核相关的头文件
#include <linux/kernel.h>

#define CMD_TEST1 _IO('A', 1)
#define CMD_TEST0 _IO('L', 0)

ssize_t misc_read(struct file *file, char __user *ubuf, size_t size, loff_t *loff_t)
{
    printk("misc_read\n ");
    return 0;
}
ssize_t misc_write(struct file *file, const char __user *ubuf, size_t size, loff_t *loff_t)
{
    /*应用程序传入数据到内核空间，然后控制led的逻辑，在此添加*/
    // kbuf保存的是从应用层读取到的数据
    char kbuf[64] = {0};
    // copy_from_user 从应用层传递数据给内核层
    if (copy_from_user(kbuf, ubuf, size) != 0)
    {
        // copy_from_user 传递失败打印
        printk("copy_from_user error \n ");
        return -1;
    }
    //打印传递进内核的数据
    printk("kbuf is %d\n ", kbuf[0]);
    return 0;
}
/****************************************************************************************
 * @brief misc_release : 用户空间关闭设备节点时执行此函数
 * @param inode        : 文件索引
 * @param file         : 文件
 * @return             ：成功返回 0  
 ****************************************************************************************/
int misc_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk("hello misc_relaease bye bye \n ");
    return 0;
}
/****************************************************************************************
 * @brief misc_open : 用户空间打开设备节点时执行此函数
 * @param inode     : 文件索引
 * @param file      : 文件
 * @return          : 成功返回 0    
 ****************************************************************************************/
int misc_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk("hello misc_open\n ");
    return 0;
}
/****************************************************************************************
 * @brief misc_ioctl : 用户空间使用ioctl(int fd, unsigned long request, ...(void* arg))时
 *                      自动执行此函数，根据命令执行对应的操作
 * @param file       : 设备文件
 * @param cmd        : 用户空间ioctl接口命令request
 * @param value      : 用户空间的arg指针，依赖于接口命令request
 * @return           : 成功返回 0   
 ****************************************************************************************/
long misc_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long value)
{
    printk("LED ON \n");
    switch (cmd) //根据命令进行对应的操作
    {
    case CMD_TEST0:
        printk("LED ON \n");
        break;
    case CMD_TEST1:
        printk("LED OFF \n");
        break;
    }
    return 0;
}
struct file_operations misc_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = misc_open,
    .release = misc_release,
    .read = misc_read,
    .write = misc_write,
    .unlocked_ioctl = misc_ioctl /* 64 bit system special */};
struct miscdevice misc_dev = {
    .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
    .name = "hello_misc",
    .fops = &misc_fops,
};
static int misc_init(void)
{
    int ret;
    ret = misc_register(&misc_dev);
    if (ret < 0)
    {
        printk("misc registe is error \n");
    }
    printk("misc registe is succeed \n");

    return 0;
}
static void misc_exit(void)
{
    misc_deregister(&misc_dev);

    printk(" misc gooodbye! \n");
}
module_init(misc_init);
module_exit(misc_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

参考[++++第三十七章 Linux内核模块++++](#第三十七章 Linux内核模块)，将led.c编译为led.ko 文件，如下图所示：

应用程序ioctrl.c：

cpp 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>

#define CMD_TEST0 _IO('L',0)
#define CMD_TEST1 _IO('A',1)
//#define CMD_TEST2 _IOW('L',2,int)
//#define CMD_TEST3 _IOR('L',3,int)

int main(int argc,char *argv[])
{
    int fd;
    char buf[64] ={0};
    fd = open("/dev/hello_misc",O_RDWR);
    if(fd < 0)
    {
    perror("open error \n");
    return fd;  
    }
    while(1)
    {
    ioctl(fd,CMD_TEST0);
    sleep(2);
    ioctl(fd,CMD_TEST1);
    }
    
    return 0;
}

我们将ioctl.c文件拷贝到Ubuntu的/home/topeet/imx8mm/13/001目录下，输入以下命令编译ioctl.c

我们进入共享目录，加载驱动模块以后，再运行应用程序，如下图所示：

56 .3 编写测试-写数据

程序源码在网盘资料"iTOP-i.MX8MM开发板\02-i.MX8MM开发板网盘资料汇总(不含光盘内容)\嵌入式Linux开发指南(iTOP-i.MX8MM)手册配套资料\2.驱动程序例程\013-设备驱动io控制\002"路径下。

我们在56.2章节代码的基础上进行修改，完整代码如下所示：

cpp 复制代码 
//初始化头文件
#include <linux/init.h>
//最基本的文件，支持动态添加和卸载模块。
#include <linux/module.h>
//包含了miscdevice结构的定义及相关的操作函数。
#include <linux/miscdevice.h>
//文件系统头文件，定义文件表结构（file,buffer_head,m_inode等）
#include <linux/fs.h>
//包含了copy_to_user、copy_from_user等内核访问用户进程内存地址的函数定义。
#include <linux/uaccess.h>
//包含了ioremap、iowrite等内核访问IO内存等函数的定义。
#include <linux/io.h>
//驱动要写入内核，与内核相关的头文件
#include <linux/kernel.h>

#define CMD_TEST1 _IO('A', 1)
#define CMD_TEST0 _IO('L', 0)
#define CMD_TEST2 _IOW('L', 2, int)
#define CMD_TEST3 _IOW('L', 3, int)

ssize_t misc_read(struct file *file, char __user *ubuf, size_t size, loff_t *loff_t)
{
    printk("misc_read\n ");
    return 0;
}
ssize_t misc_write(struct file *file, const char __user *ubuf, size_t size, loff_t *loff_t)
{
    /*应用程序传入数据到内核空间，然后控制led的逻辑，在此添加*/
    // kbuf保存的是从应用层读取到的数据
    char kbuf[64] = {0};
    // copy_from_user 从应用层传递数据给内核层
    if (copy_from_user(kbuf, ubuf, size) != 0)
    {
        // copy_from_user 传递失败打印
        printk("copy_from_user error \n ");
        return -1;
    }
    //打印传递进内核的数据
    printk("kbuf is %d\n ", kbuf[0]);
    return 0;
}
/****************************************************************************************
 * @brief misc_release : 用户空间关闭设备节点时执行此函数
 * @param inode        : 文件索引
 * @param file         : 文件
 * @return             ：成功返回 0  
 ****************************************************************************************/
int misc_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk("hello misc_relaease bye bye \n ");
    return 0;
}
/****************************************************************************************
 * @brief misc_open : 用户空间打开设备节点时执行此函数
 * @param inode     : 文件索引
 * @param file      : 文件
 * @return          : 成功返回 0    
 ****************************************************************************************/
int misc_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk("hello misc_open\n ");
    return 0;
}
/****************************************************************************************
 * @brief misc_ioctl : 用户空间使用ioctl(int fd, unsigned long request, ...(void* arg))时
 *                      自动执行此函数，根据命令执行对应的操作
 * @param file       : 设备文件
 * @param cmd        : 用户空间ioctl接口命令request
 * @param value      : 用户空间的arg指针，依赖于接口命令request
 * @return           : 成功返回 0   
 ****************************************************************************************/
long misc_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long value)
{

    switch (cmd)//根据命令进行对应的操作
    {
    case CMD_TEST2:
        printk("LED ON \n");
        printk("value is %ld\n", value);
        break;
    case CMD_TEST3:
        printk("LED OFF \n");
        printk("value is %ld\n", value);
        break;
    }
    return 0;
}
struct file_operations misc_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = misc_open,
    .release = misc_release,
    .read = misc_read,
    .write = misc_write,
    .unlocked_ioctl = misc_ioctl };
struct miscdevice misc_dev = {
    .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
    .name = "hello_misc",
    .fops = &misc_fops,
};
static int misc_init(void)
{
    int ret;
    ret = misc_register(&misc_dev);
    if (ret < 0)
    {
        printk("misc registe is error \n");
    }
    printk("misc registe is succeed \n");

    return 0;
}
static void misc_exit(void)
{
    misc_deregister(&misc_dev);

    printk(" misc goodbye! \n");
}
module_init(misc_init);
module_exit(misc_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

将led.c编译为led.ko 文件，如下图所示：

应用程序代码ioctrl.c代码如下：

cpp 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>

#define CMD_TEST0 _IO('L',0)
#define CMD_TEST1 _IO('A',1)

#define CMD_TEST2 _IOW('L',2,int)
#define CMD_TEST3 _IOW('L',3,int)
//#define CMD_TEST3 _IOR('L',3,int)

int main(int argc,char *argv[])
{
    int fd;
    char buf[64] ={0};
    fd = open("/dev/hello_misc",O_RDWR);
    if(fd < 0)
    {
    perror("open error \n");
    return fd;  
    }
    while(1)
    {
    ioctl(fd,CMD_TEST2,0);
    sleep(2);
    ioctl(fd,CMD_TEST3,1);
    }
    
    return 0;
}

编译完成如下图所示：

我们进入共享目录，卸载原来加载的驱动模块，然后再加载新的驱动模块以后，再运行应用程序，如下图所示：

56 . 4 编写测试-读数据

程序源码在网盘资料"iTOP-i.MX8MM开发板\02-i.MX8MM开发板网盘资料汇总(不含光盘内容)\嵌入式Linux开发指南(iTOP-i.MX8MM)手册配套资料\2.驱动程序例程\013-设备驱动io控制\003"路径下。

我们在56.3的代码的基础上进行修改，完整代码如下所示：

cpp 复制代码 
//初始化头文件
#include <linux/init.h>
//最基本的文件，支持动态添加和卸载模块。
#include <linux/module.h>
//包含了miscdevice结构的定义及相关的操作函数。
#include <linux/miscdevice.h>
//文件系统头文件，定义文件表结构（file,buffer_head,m_inode等）
#include <linux/fs.h>
//包含了copy_to_user、copy_from_user等内核访问用户进程内存地址的函数定义。
#include <linux/uaccess.h>
//包含了ioremap、iowrite等内核访问IO内存等函数的定义。
#include <linux/io.h>
//驱动要写入内核，与内核相关的头文件
#include <linux/kernel.h>

#define CMD_TEST1 _IO('A', 1)
#define CMD_TEST0 _IO('L', 0)
#define CMD_TEST2 _IOW('L', 2, int)
#define CMD_TEST3 _IOW('L', 3, int)
#define CMD_TEST4 _IOR('L', 4, int)

ssize_t misc_read(struct file *file, char __user *ubuf, size_t size, loff_t *loff_t)
{
    printk("misc_read\n ");
    return 0;
}
ssize_t misc_write(struct file *file, const char __user *ubuf, size_t size, loff_t *loff_t)
{
    /*应用程序传入数据到内核空间，然后控制led的逻辑，在此添加*/
    // kbuf保存的是从应用层读取到的数据
    char kbuf[64] = {0};
    // copy_from_user 从应用层传递数据给内核层
    if (copy_from_user(kbuf, ubuf, size) != 0)
    {
        // copy_from_user 传递失败打印
        printk("copy_from_user error \n ");
        return -1;
    }
    //打印传递进内核的数据
    printk("kbuf is %d\n ", kbuf[0]);
    return 0;
}
/****************************************************************************************
 * @brief misc_release : 用户空间关闭设备节点时执行此函数
 * @param inode        : 文件索引
 * @param file         : 文件
 * @return             ：成功返回 0  
 ****************************************************************************************/
int misc_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk("hello misc_relaease bye bye \n ");
    return 0;
}
/****************************************************************************************
 * @brief misc_open : 用户空间打开设备节点时执行此函数
 * @param inode     : 文件索引
 * @param file      : 文件
 * @return          : 成功返回 0    
 ****************************************************************************************/
int misc_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk("hello misc_open\n ");
    return 0;
}
/****************************************************************************************
 * @brief misc_ioctl : 用户空间使用ioctl(int fd, unsigned long request, ...(void* arg))时
 *                      自动执行此函数，根据命令执行对应的操作
 * @param file       : 设备文件
 * @param cmd        : 用户空间ioctl接口命令request
 * @param value      : 用户空间的arg指针，依赖于接口命令request
 * @return           : 成功返回 0   
 ****************************************************************************************/
long misc_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long value)
{
    int val;
    switch (cmd)//根据命令进行对应的操作
    {
    case CMD_TEST2:
        printk("LED ON \n");
        printk("value is %ld\n", value);
        break;
    case CMD_TEST3:
        printk("LED OFF \n");
        printk("value is %ld\n", value);
        break;
    case CMD_TEST4:
        val = 12;
        if (copy_to_user((int *)value, &val, sizeof(val)) != 0)
        {
            printk("cpoy_to_usr error \n");
            return -1;
        }
        break;
    }
    return 0;
}
struct file_operations misc_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = misc_open,
    .release = misc_release,
    .read = misc_read,
    .write = misc_write,
    .unlocked_ioctl = misc_ioctl };
struct miscdevice misc_dev = {
    .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
    .name = "hello_misc",
    .fops = &misc_fops,
};
static int misc_init(void)
{
    int ret;
    ret = misc_register(&misc_dev);
    if (ret < 0)
    {
        printk("misc registe is error \n");
    }
    printk("misc registe is succeed \n");

    return 0;
}
static void misc_exit(void)
{
    misc_deregister(&misc_dev);

    printk(" misc gooodbye! \n");
}
module_init(misc_init);
module_exit(misc_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

将led.c编译为led.ko 文件，如下图所示：

应用程序代码ioctl.c代码如下：

cpp 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>

#define CMD_TEST0 _IO('L', 0)
#define CMD_TEST1 _IO('A', 1)

#define CMD_TEST2 _IOW('L', 2, int)
#define CMD_TEST3 _IOW('L', 3, int)
#define CMD_TEST4 _IOR('L', 4, int)

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd;
    int value;
    char buf[64] = {0};
    fd = open("/dev/hello_misc", O_RDWR);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open error \n");
        return fd;
    }
    while (1)
    {
        ioctl(fd, CMD_TEST4, &value);
        printf("value is %d \n", value);
        sleep(2);
    }
    return 0;
}

编译完成如我们进入共享目录,卸载原来加载的驱动模块，然后再加载新的驱动模块以后，再运行应用程序，如下图所示：

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