1. 概述
在内核与用户的通信中，Linux 内核有意将正常的数据以及功能的选择用不同的函数来实现，让
read() / write() 函数专注于数据的读写。让功能的选择和设置通过 ioctl 函数来实现，比如串口通信时让 read() / write() 进行正常的数据收发，而串口波特率、数据格式的设置通过 ioctl 函数来实现。2. API函数
2.1 函数原型
#include <sys/ioctl.h> int ioctl(int fd, unsigned long request, ...);
功能：进行 io 控制
参数：
fd：文件描述符
request：功能码（看第 3 节）
…：可以有第三个参数，也可以没有，如果添加第三个参数，尽量传递用户空间的指针
返回值：成功返回 0，失败返回错误码
2.2 内核中的操作方法
long (*unlocked_ioctl) (struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg){}
参数：
cmd：用来接收用户层ioctl函数的第二个参数
arg：用来接收ioctl函数第三个参数
3. ioctl 函数的功能码
为了追求功能码的唯一性，我们需要对功能码进行编码，在编码时要添加实现的功能是读还是写，也要包含
ioctl 第三个参数的大小灯信息。可以在 Linux 内核源码的该目录下找到功能码的编码规则：
功能码的类别：
_IO | an | ioctl with no parameters |
_IOW | an | ioctl with write parameters (copy_from_user) |
_IOR | an | ioctl with read parameters (copy_to_user) |
_IOWR | an | ioctl with both write and read parameters. |
一个功能码是 32 位的数字，它的组成通常如下（也有特殊的，比如
powerpc 架构）：bits | meaning |
31-30 | 00 - no parameters: uses _IO macro 10 - read: _IOR 01 - write: _IOW 11 - read/write: _IOWR |
29-16 | size of arguments |
15-8 | ascii character supposedly unique to each driver |
7-0 | function # |
我们不需要手动去编写这个数字，Linux 内核中提供了宏函数去创建它：
#define _IOC(dir,type,nr,size) \ ((unsigned int) \ (((dir) << _IOC_DIRSHIFT) | \ ((type) << _IOC_TYPESHIFT) | \ ((nr) << _IOC_NRSHIFT) | \ ((size) << _IOC_SIZESHIFT))) // nr<<0|type<<8|size<<16<<dir<<30 /* used to create numbers */ #define _IO(type,nr) _IOC(_IOC_NONE,(type),(nr),0) #define _IOR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ,(type),(nr),sizeof(size)) #define _IOW(type,nr,size) _IOC(_IOC_WRITE,(type),(nr),sizeof(size)) #define _IOWR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE,(type),(nr),sizeof(size))
用法如下（使用不带参数的
ioctl）：#define LED_ON _IO('l', 1) //开灯 #define LED_OFF _IO('l', 0) //关灯
- 第一个参数对应
15-8位驱动唯一 ascii 编号
- 第二个参数用于对应
7-0调用函数
- 如果有第三个参数，则写入
29-16表示数据的大小
4. 实例一：不带参数
完整的目录查看：
这里节选重要的部分代码：
/* head.h 文件 */ #define LED_ON _IO('l', 1) //开灯 #define LED_OFF _IO('l', 0) //关灯 //---------------------------------------------- /* mychrdev.c 文件 */ struct class *cls; struct device *dev; // ...... long mycdev_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg) { switch (cmd) { case LED_ON: //开灯 vir_led1->ODR |= (0x1 << 10); break; case LED_OFF: //关灯 vir_led1->ODR &= (~(0X1 << 10)); break; } return 0; } // ...... struct file_operations fops = { .open = mycdev_open, .unlocked_ioctl = mycdev_ioctl, .release = mycdev_close, }; //---------------------------------------------- /* test.c 文件 */ if (a == 1) { // 开灯 ioctl(fd, LED_ON); } else if (a == 0) { //关灯 ioctl(fd, LED_OFF); }
可以看到和之前 字符设备驱动控制 LED 灯实验 中的代码的主要区别是，去除了
open 和 write 的操作方法，改用 unlocked_ioctl 替代。在应用层的测试代码中，需要包含同样的头文件，然后使用 ioctl 来控制。5. 实例二：带整型参数
完整的目录查看：
这里节选重要的部分代码：
/* head.h 文件 */ #define LED_ON _IOW('l', 1, int) //开灯 #define LED_OFF _IOW('l', 0, int) //关灯 //---------------------------------------------- /* mychrdev.c 文件 */ long mycdev_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg) { switch (cmd) { case LED_ON: // 开灯 switch (arg) { case 1: // LED1 vir_led1->ODR |= (0x1 << 10); break; case 2: // LED2 vir_led2->ODR |= (0x1 << 10); break; case 3: // LED3 vir_led3->ODR |= (0x1 << 8); break; } break; case LED_OFF: // 关灯 switch (arg) { case 1: vir_led1->ODR &= (~(0X1 << 10)); break; case 2: vir_led2->ODR &= (~(0X1 << 10)); break; case 3: vir_led3->ODR &= (~(0X1 << 8)); break; } break; } return 0; } //---------------------------------------------- /* test.c 文件 */ int a, b; // ...... if (a == 1) { ioctl(fd, LED_ON, b); } else if (a == 0) { ioctl(fd, LED_OFF, b); }
扩展了上面实例一的代码，通过参数来指定点亮的 LED 的编号，其中
mycdev_ioctl 方法的第三个参数 arg 直接当作整型使用。且使用的宏函数从 _IO 换到了 _IOW 。6. 实例三：带指针参数
完整的目录查看：
这里节选重要的部分代码：
/* head.h 文件 */ #define LED_ON _IOW('l', 1, int) //开灯 #define LED_OFF _IOW('l', 0, int) //关灯 //---------------------------------------------- /* mychrdev.c 文件 */ long mycdev_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg) { int which; //通过拷贝函数获取ioctl第三个参数对应空间的数值 int ret = copy_from_user(&which, (void *)arg, 4); if (ret) { printk("拷贝用户空间数据失败\n"); return -EIO; } //进行功能控制 switch (cmd) { case LED_ON: // 开灯 switch (which) { case 1: // LED1 vir_led1->ODR |= (0x1 << 10); break; case 2: // LED2 vir_led2->ODR |= (0x1 << 10); break; case 3: // LED3 vir_led3->ODR |= (0x1 << 8); break; } break; case LED_OFF: // 关灯 switch (which) { case 1: vir_led1->ODR &= (~(0X1 << 10)); break; case 2: vir_led2->ODR &= (~(0X1 << 10)); break; case 3: vir_led3->ODR &= (~(0X1 << 8)); break; } break; } return 0; } //---------------------------------------------- /* test.c 文件 */ int a, b; // ...... if (a == 1) { ioctl(fd, LED_ON, &b); } else if (a == 0) { ioctl(fd, LED_OFF, &b); }
虽然头文件中
__IOW 的第三个参数还是 int ，但它在这里指代指针的大小。在驱动代码中，使用了 copy_from_user 来读取用户空间的对应地址的数据，读取数据的大小是我们预先设计好的，不能从用户传递进驱动。我们在测试文件中传入 b 的地址，驱动会拷贝用户空间中对应地址的数据。