构造IOCTL命令的学习心得-----_IO, _IOR, _IOW,

在编写ioctl代码之前，需要选择对应不同命令的编号。为了防止对错误的设备使用正确的命令，命令号应该在系统范围内唯一，这种错误匹配并不是不会发生，程序可能发现自己正在试图对FIFO和audio等这类非串行设备输入流修改波特率，如果每一个ioctl命令都是唯一的，应用程序进行这种操作时就会得到一个EINVAL错误，而不是无意间成功地完成了意想不到的操作。

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：

bit31~bit30 2位为 “区别读写” 区，作用是区分是读取命令还是写入命令。
        bit29~bit15 14位为 "数据大小" 区，表示 ioctl() 中的 arg 变量传送的内存大小。
        bit20~bit08 8位为 “魔数"(也称为"幻数")区，这个值用以与其它设备驱动程序的 ioctl 命令进行区别。
        bit07~bit00 8位为 "区别序号" 区，是区分命令的命令顺序序号。

像命令码中的 “区分读写区” 里的值可能是 _IOC_NONE （0值）表示无数据传输，_IOC_READ (读)， _IOC_WRITE (写) ， _IOC_READ|_IOC_WRITE (双向)。
内核定义了 _IO() , _IOR() , IOW() 和 _IOWR() 这 4 个宏来辅助生成上面的 cmd 。下面分析 _IO() 的实现，其它的类似。

要按Linux内核的约定方法为驱动程序选择ioctl编号，应该首先看看include/asm/ioctl.h和Doucumention/ioctl-number.txt这两个文件。头文件定义了要使用的位字段：类型（幻数）、序数、传送方向以及参数大小等。ioctl-number.txt文件中罗列了内核所使用的幻数，选择自己的幻数要避免和内核冲突。以下是对include/asm/ioctl.h中定义的宏的注释：

#define _IOC_NRBITS 8 //序数（number）字段的字位宽度，8bits

#define _IOC_TYPEBITS 8 //幻数（type）字段的字位宽度，8bits

#define _IOC_SIZEBITS 14 //大小（size）字段的字位宽度，14bits

#define _IOC_DIRBITS 2 //方向（direction）字段的字位宽度，2bits

#define _IOC_NRMASK ((1 << _IOC_NRBITS)-1) //序数字段的掩码，0x000000FF

#define _IOC_TYPEMASK ((1 << _IOC_TYPEBITS)-1) //幻数字段的掩码，0x000000FF

#define _IOC_SIZEMASK ((1 << _IOC_SIZEBITS)-1) //大小字段的掩码，0x00003FFF

#define _IOC_DIRMASK ((1 << _IOC_DIRBITS)-1) //方向字段的掩码，0x00000003

#define _IOC_NRSHIFT 0 //序数字段在整个字段中的位移，0

#define _IOC_TYPESHIFT (_IOC_NRSHIFT+_IOC_NRBITS) //幻数字段的位移，8

#define _IOC_SIZESHIFT (_IOC_TYPESHIFT+_IOC_TYPEBITS) //大小字段的位移，16

#define _IOC_DIRSHIFT (_IOC_SIZESHIFT+_IOC_SIZEBITS) //方向字段的位移，30

* Direction bits.

#define _IOC_NONE 0U //没有数据传输

#define _IOC_WRITE 1U //向设备写入数据，驱动程序必须从用户空间读入数据

#define _IOC_READ 2U //从设备中读取数据，驱动程序必须向用户空间写入数据

*_IOC 宏将dir，type，nr，size四个参数组合成一个cmd参数

#define _IOC(dir,type,nr,size) \

(((dir) << _IOC_DIRSHIFT) | \

((type) << _IOC_TYPESHIFT) | \

((nr) << _IOC_NRSHIFT) | \

((size) << _IOC_SIZESHIFT))

* used to create numbers

//构造无参数的命令编号

#define _IO(type,nr) _IOC(_IOC_NONE,(type),(nr),0)

//构造从驱动程序中读取数据的命令编号

#define _IOR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ,(type),(nr),sizeof(size))

//用于向驱动程序写入数据命令

#define _IOW(type,nr,size) _IOC(_IOC_WRITE,(type),(nr),sizeof(size))

//用于双向传输

#define _IOWR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE,(type),(nr),sizeof(size))

*used to decode ioctl numbers..

//从命令参数中解析出数据方向，即写进还是读出

#define _IOC_DIR(nr) (((nr) >> _IOC_DIRSHIFT) & _IOC_DIRMASK)

//从命令参数中解析出幻数type

#define _IOC_TYPE(nr) (((nr) >> _IOC_TYPESHIFT) & _IOC_TYPEMASK)

//从命令参数中解析出序数number

#define _IOC_NR(nr) (((nr) >> _IOC_NRSHIFT) & _IOC_NRMASK)

//从命令参数中解析出用户数据大小

#define _IOC_SIZE(nr) (((nr) >> _IOC_SIZESHIFT) & _IOC_SIZEMASK)

/* ...and for the drivers/sound files... */

#define IOC_IN (_IOC_WRITE << _IOC_DIRSHIFT)

#define IOC_OUT (_IOC_READ << _IOC_DIRSHIFT)

#define IOC_INOUT ((_IOC_WRITE|_IOC_READ) << _IOC_DIRSHIFT)

#define IOCSIZE_MASK (_IOC_SIZEMASK << _IOC_SIZESHIFT)

#define IOCSIZE_SHIFT (_IOC_SIZESHIFT)

以上内容转自：article.phpfans.net/

我的理解：

假如我定义了一个命令MY_CMD:

#define MY_CMD_MAGIC 0xdf //type字段，由于字段宽度为8 bits，所以不能大于0xff

#define MY_CMD _IOW(MY_CMD_MAGIC,0,unsigned int)

于是有命令MY_CMD各组成字段（dir，size，type，nr）分别为：01(=_IOC_WRITE),00 0000 0000 0100(=sizeof(unsigned int)),1101 1111(=MY_CMD_MAGIC),0000 0000(=0)。用十六进制表示即0x4004df00。这个32 bits的"整数"就是该命令的编号（LDD3原文是command number），也就是命令MY_CMD在系统中的"身份证号码"了！

为什么上面我用"身份证号码"作比喻呢？众所周知，一个国家里所有公民的身份证号都是各不相同的。身份证编号有一定的规则：即把身份证号划分成几个字段，各段位数可不等，每个字段编码都有它的实际意义，例如我们现在用的的身份证前N位（不记得具体是多少了）表示一个具体的省、市、等地区，不同地区的人该字段肯定不同了;另外有个表示出生年月的字段（据说以前整个号码最后一位偶数表示男性，奇数表示女性，现在貌似没这个规则了，此为题外话）。

类似地，我们要为系统里所有的IOCTL命令编号。我们身份证用的是15（上一代是18位）位十进制数编码（最后一位可能是拉丁字母）;我们用32位二进制数为IOCTL命令编码，把它划分成4个字段，每段也有它的实际意义。要保证每个命令编号为系统唯一，主要靠命令的type和nr字段。我们称type字段内容为magic number，即幻数，它表示命令的类型。

看到上段红色这句话，我想可能有细心的人会问："那么命令到底有哪些类型呢？"老实说我也不知道正确答案。大概因为大家都知道基本数据类型有整形、浮点型、字符型...人的性格类型有外向型、内向型...这些我们常见的类型都是可以用文字来枚举描述的，所以潜意识就觉得有类型就应该有文字可描述吧。回到正题，我想每个magic number，就像上面的宏定义中：#define MY_CMD_MAGIC 0xdf，MY_CMD_MAGIC就是类型名了吧！不知道我的想法对不对？！反正大家知道一个magic number就对应唯一一种命令类型就是了。LDD原文中有一段：

type
The magic number. Just choose one number (after consulting ioctl-number.txt)
and use it throughout the driver. This field is eight bits wide (_IOC_TYPEBITS).

原文是说type的内容叫幻数（magic number），强调它是一个8位二进制数（number）。

因此不同type的命令就有不同的magic number，因此命令编码自然就不同了。但如果两个命令type相同，它们的magic number就相同，于是就不能仅靠type字段区分了。于是nr字段就起作用了：

number
The ordinal (sequential) number. It's eight bits (_IOC_NRBITS) wide.

nr（number）即序号，一般地我们从0开始编号。由于nr字段为8位二进制数，所以nr的取值范围为0~255。同一种type的命令每个nr值对应唯一一个命令。

其他两个字段在这里不作深究。

值得一提的是LDD3里这么一段话：

The header also defines macros that may be used in your driver to decode the num-
bers: _IOC_DIR(nr), _IOC_TYPE(nr), _IOC_NR(nr), and _IOC_SIZE(nr). We won't go
into any more detail about these macros because the header file is clear, and sample
code is shown later in this section.

根据ioctl.h文件的定义，很明显_IOC_DIR(nr), _IOC_TYPE(nr), _IOC_NR(nr),_IOC_SIZE(nr)这几个宏里面的参数就是一个IOCTL命令，即一个32位的二进制数，而文件中参数居然用nr表示！当然用nr表示不是逻辑上的错误。但是别忘了文件中还有_IOW(type,nr,size)这样的定义IOCTL命令的宏，这其中的参数nr是IOCTL命令编号中的一个nr字段，一个8位的二进制数！我想很多新人都会对此产生莫大的疑惑！所以我认为把_IOC_DIR(nr), _IOC_TYPE(nr), _IOC_NR(nr),_IOC_SIZE(nr)这几个解码宏的参数改用cmd表示更恰当！
但是，我知道这不是LDD3作者的错，因为内核头文件里面也是这么表示的。我想内核开发者不可能没意识到这个问题。因此，我猜测这其中肯定有个历史原因：大概以前版本的命令不管type是否一样，nr字段的值都是唯一的，于是仅靠nr字段就可以解码出一个IOCTL命令的其他字段吧？！但即使这样_IOC_DIR(nr), _IOC_TYPE(nr), _IOC_NR(nr),_IOC_SIZE(nr)也没必要保留这种写法啊！到底谁可以告诉我真相？

LDD3没有对_IOC_DIR(nr), _IOC_TYPE(nr), _IOC_NR(nr),_IOC_SIZE(nr)里面的nr作任何解释，只是实例中有如下用法：

if (_IOC_TYPE(cmd) != SCULL_IOC_MAGIC) return -ENOTTY;
if (_IOC_NR(cmd) > SCULL_IOC_MAXNR) return -ENOTTY;

可见那个nr参数完全就是我所说的32位的IOCTL命令编码。靠，既然这样好歹也对着个confusion作一下简单的解释啊！如果LDD3一书那"既不承认，也不否认"的暧昧态度让我真让我哭笑不得的话，那么国内某书（具体哪本我就不说了）简直令我抓狂，我摘书中的两段话如下：

_IO(type,nr):定义一个没有数据传输的命令编号。type为幻数，nr为命令编号。...
...
_IOC_DIR(nr): 获得命令编号的命令传输方向（direction）。这个宏的参数就是命令编号。

晕了没有？红色标记处的nr分明就是命令编号的nr(即序号)字段嘛！真XX@#￥&*$！

对国内的书越来越失望了！没有多少自己的东西就罢了！连翻译的都翻不好！误人子弟！~

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