08、IOCTL 驱动传参实验

当你要通过程序控制硬件设备（比如LED灯）时，设备驱动程序需要完成两件事：

1. 基础操作：通过简单的读写操作就能完成基本控制，比如往驱动里写入数字"1"或"0"就能让LED亮或灭。
2. 复杂操作：当需要做更复杂的事情（比如让LED以特定频率闪烁或改变颜色）时，就不能只靠简单的数据读写了。这时候就需要用到ioctl这个特殊工具，它可以：

• 设置硬件参数（比如调整闪烁速度）
• 触发特定功能（比如切换灯光颜色）
• 执行不涉及数据传输的硬件控制指令

简单来说，ioctl就像给硬件发"特殊指令"的遥控器，专门处理那些需要直接操控硬件设置的复杂需求。

一、ioctl 基础

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ioctl是设备驱动中的控制接口，主要用于操作设备。字符设备驱动通常需要实现打开、关闭、读写等基础功能。当需要更细致的功能控制时，就会通过添加新的ioctl命令来扩展设备能力。

简单来说：  字符设备驱动像一个工具箱，基础功能（打开/关闭设备、读写数据）是标配工具。而ioctl就像这个工具箱的扩展插槽，当需要特殊操作（比如调整设备参数、执行特定命令）时，就可以通过添加新的ioctl指令来实现这些额外功能。

1.1、应用层

1.1.1、ioctl函数原型

这个函数用来给设备发送控制或设置命令。

函数原型：

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

头文件：

::: #include <sys/ioctl.h> :::

参数说明：

::: 文件描述符（fd）是设备被打开后系统分配的唯一编号，用于标识这个设备。

命令（cmd）是告诉驱动程序要执行什么操作的指令，比如读数据、写数据或设置参数。

参数（args）是给驱动程序的具体信息。如果是内存地址，驱动可以用它返回结果（比如获取设备状态时会用到）。 :::

1.1.2、cmd命令说明

ioctl函数的cmd参数被拆分为四个部分：

1. 前两位（31-30位）：决定数据传输方向，比如是读操作还是写操作。
2. 中间14位（29-16位）：表示要传输的数据大小（通常指字节数）。
3. 接下来8位（15-8位）：代表命令类型，通常用一个ASCII字符表示（比如字母或符号），部分字符已被系统占用。
4. 最后8位（7-0位）：是命令的具体编号，范围是0到255。

这样通过一个32位的cmd参数，就能同时传递传输方向、数据长度、命令类型和命令序号四个关键信息。

1.1.3、ioctl命令的四种宏定义

1. 无参数命令

::: #define __IO(type, nr) _IOC(_IOC_NONE, type, nr, 0)

用于定义不需要参数的命令。

type：驱动程序的标识符（通常选一个字母的ASCII码，比如'A'）。

nr：命令编号（同一驱动的不同命令需用不同编号）。 :::

2. 读取参数命令（驱动→应用程序）

::: #define __IOR(type, nr, size) _IOC(_IOC_READ, type, nr, size)

应用程序通过此命令从驱动读取数据。

size：指定参数类型（如结构体大小）。 :::

3. 写入参数命令（应用程序→驱动）

::: #define __IOW(type, nr, size) _IOC(_IOC_WRITE, type, nr, size)

应用程序通过此命令向驱动发送数据。

size：参数类型或大小。 :::

4. 双向参数命令（双向通信）

::: #define __IOWR(type, nr, size) _IOC(_IOC_READ | _IOC_WRITE, type, nr, size)

应用程序和驱动可以互相传递数据（既有输入也有输出）。

参数说明：

type：驱动的唯一标识符（通常选一个字母的ASCII码值，例如用 'A' 表示某个驱动）。

nr：同一驱动下不同命令的编号（如命令1、命令2等）。

size：参数的类型或大小（例如结构体的大小，用于确保数据正确传递）。 :::

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简单总结：

• 根据需要选择宏（无参数、只读、只写、读写）。
• type和nr组合成唯一命令编号，size定义参数格式。
• 驱动和应用程序通过这些命令安全地传递数据。

这样修改后更易理解，重点突出每个宏的作用和参数含义。

案例：

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：

#define CMD_TEST0_IO('L',O)

#define CMD_TEST1_IOW('L',1,int)

#define CMD TEST2_IOR('L',2,int)

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1.2、驱动函数

在应用程序中，当调用ioctl函数时，会触发与之关联的文件操作结构（file_operations）中的unlocked_ioctl函数。这个函数的定义如下：

文件：include/linux/fs.h

::: long (*unlocked_ioctl)(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg); :::

应用程序通过ioctl命令与驱动程序通信时，会用到三个参数：

• file：当前操作的文件对象（类似文件描述符在内核中的内部结构）。
• cmd：应用程序发送的命令码，驱动根据这个命令执行对应操作。
• arg：传递数据的参数，用于应用程序和驱动之间交换信息。

具体流程：

1. 应用程序通过ioctl发送命令（cmd）和数据（arg）。
2. 驱动收到命令后，先根据cmd判断要执行的操作类型。
3. 通过arg参数，驱动和应用程序之间传递需要处理的数据。

关键点：unlocked_ioctl是专门设计的无锁接口，因此不需要手动处理锁的问题，直接使用即可。

二、实验程序

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2.1、驱动

#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);
MODULE_LICENSE("GPL v2");

2.2、应用

#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);
}