linux ioctl 设备操作函数 r3到r0 应用层驱动层通讯

一、ioctl的简介：

虽然在文件操作结构体"struct file_operations"中有很多对应的设备操作函数，但是有些命令是实在找不到对应的操作函数。如CD-ROM的驱动，想要一个弹出光驱的操作，这种操作并不是所有的字符设备都需要的，所以文件操作结构体也不会有对应的函数操作。

出于这样的原因，ioctl就有它的用处了————一些没办法归类的函数就统一放在ioctl这个函数操作中，通过指定的命令来实现对应的操作。所以，ioctl函数里面都实现了多个的对硬件的操作，通过应用层传入的命令来调用相应的操作。

来个图来说一下应用层与驱动函数的ioctl之间的联系：

上面的图可以看出，fd通过内核后找到对应的inode和file结构体指针并传给驱动函数，而另外两个参数却没有修改(类型改了没什么关系)。

简单介绍一下函数：

int (*ioctl) (struct inode * node, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);

参数：

1)inode和file：ioctl的操作有可能是要修改文件的属性，或者访问硬件。要修改

文件属性的话，就要用到这两个结构体了，所以这里传来了它们的指针。

2)cmd：命令，接下来要长篇大论地说。

3)arg：参数，接下来也要长篇大论。

返回值：

1)如果传入的非法命令，ioctl返回错误号-EINVAL。

2)内核中的驱动函数返回值都有一个默认的方法，只要是正数，内核就会傻乎乎的认为这是正确的返回，并把它传给应用层，如果是负值，内核就会认为它是错误号了。

Ioctl里面多个不同的命令，那就要看它函数的实现来决定返回值了。打个比方，如果ioctl里面有一个类似read的函数，那返回值也就可以像read一样返回。

当然，不返回也是可以的。

二、ioctl的cmd

说白了，cmd就是一个数，如果应用层传来的数值在驱动中有对应的操作，这样就就可以了。

来个最简单的ioctl实现：3rd_char_4/1st

1)要先定义个命令，就用一个简单的0，来个命令的头文件，驱动和应用函数都要包含这个头文件：

/*test_cmd.h*/#ifndef _TEST_CMD_H#define _TEST_CMD_H#define TEST_CLEAR 0
#endif /*_TEST_CMD_H*/

2)驱动实现ioctl：

命令TEST_CLEAR的操作就是清空驱动中的kbuf。

int test_ioctl (struct inode *node, struct file *filp, unsigned int cmd, uns igned long arg)
{int ret = 0;struct _test_t *dev = filp->private_data;switch (cmd){case TEST_CLEAR:memset(dev->kbuf, 0, DEV_SIZE);dev->cur_size = 0;filp->f_pos = 0;ret = 0;break;default: /*命令错误时的处理*/P_DEBUG("error cmd!\n");ret = -EINVAL;break;}return ret;
}

3)再来个应用程序：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include "test_cmd.h"int main(void)
{char buf[20];int fd;int ret;fd = open("/dev/test", O_RDWR);if (fd < 0){perror("open");return -1;}write(fd, "xiao bai", 10); //1先写入ioctl(fd, TEST_CLEAR); //2再清空ret = read(fd, buf, 10); //3再验证if (ret < 0){perror("read");}close(fd);return 0;
}

注：这里为了read返回出错，我修改了驱动的read、write函数的开始时的第一个

判断，一看就知道了。

4)验证一下：

[root: 1st]# insmod test.ko
major[253] minor[0]
hello kernel
[root: 1st]# mknod /dev/test c 253 0
[root: 1st]# ./app
<kernel>[test_write]write 10 bytes, cur_size:[10]
<kernel>[test_write]kbuf is [xiao bai]
read: No such device or address //哈哈！出错了！因为没数据读取。

按照上面的方法来定义一个命令是完全可以的，但内核开发人员发现这样有点不对劲。

如果有两个不同的设备，但它们的ioctl的cmd却一样的，哪天有谁不小心打开错了，并且调用ioctl，这样就完蛋了。因为这个文件里面同样有cmd对应实现。

为了防止这样的事情发生，内核对cmd又有了新的定义，规定了cmd都应该不一样。

三、内核对cmd的新定义

一个cmd被分为了4个段，每一段都有各自的意义，cmd的定义在<linux/ioctl.h>。注：但实际上<linux/ioctl.h>中只是包含了<asm/ioctl.h>，这说明了这是跟平台相关的，ARM的定义在<arch/arm/include/asm/ioctl.h>，但这文件也是包含别的文件<asm-generic/ioctl.h>，千找万找，终于找到了。

在<asm-generic/ioctl.h>中，cmd拆分如下：

解释一下四部分，全部都在<asm-generic/ioctl.h>和ioctl-number.txt这两个文档有说明。

1)幻数：说得再好听的名字也只不过是个0~0xff的数，占8bit(_IOC_TYPEBITS)。这个数是用来区分不同的驱动的，像设备号申请的时候一样，内核有一个文档给出一些推荐的或者已经被使用的幻数。

*Documentation/ioctl/ioctl-number.txt*/
'w' all CERN SCI driver
'y' 00-1F packet based user level communications
<mailto:zapman@interlan.net>
'z' 00-3F CAN bus card
<mailto:hdstich@connectu.ulm.circular.de>
'z' 40-7F CAN bus card
<mailto:oe@port.de>

可以看到'x'是还没有人用的，我就拿这个当幻数！

2)序数：用这个数来给自己的命令编号，占8bit(_IOC_NRBITS)，我的程序从1开始排序。

3)数据传输方向：占2bit(_IOC_DIRBITS)。如果涉及到要传参，内核要求描述一下传输的方向，传输的方向是以应用层的角度来描述的。

_IOC_NONE：值为0，无数据传输。

_IOC_READ：值为1，从设备驱动读取数据。

_IOC_WRITE：值为2，往设备驱动写入数据。

_IOC_READ|_IOC_WRITE：双向数据传输。

4)数据大小：与体系结构相关，ARM下占14bit(_IOC_SIZEBITS)，如果数据是int，内核给这个赋的值就是sizeof(int)。

强调一下，内核是要求按这样的方法把cmd分类，当然你也可以不这样干，这只是为了迎合内核的要求，让自己的程序看上去很正宗。上面我的程序没按要求照样运行。

既然内核这样定义cmd，就肯定有方法让用户方便定义：

_IO(type,nr) //没有参数的命令

_IOR(type,nr,size) //该命令是从驱动读取数据

_IOW(type,nr,size) //该命令是从驱动写入数据

_IOWR(type,nr,size) //双向数据传输

上面的命令已经定义了方向，我们要传的是幻数(type)、序号(nr)和大小(size)。在这里szie的参数只需要填参数的类型，如int，上面的命令就会帮你检测类型的正确然后赋值sizeof(int)。

有生成cmd的命令就必有拆分cmd的命令：

_IOC_DIR(cmd) //从命令中提取方向

_IOC_TYPE(cmd) //从命令中提取幻数

_IOC_NR(cmd) //从命令中提取序数

_IOC_SIZE(cmd) //从命令中提取数据大小

越讲就越复杂了，既然讲到这，随便就讲一下预定义命令。

预定义命令是由内核来识别并且实现相应的操作，换句话说，一旦你使用了这些命令，你压根也不要指望你的驱动程序能够收到，因为内核拿掉就把它处理掉了。

分为三类：

1)可用于任何文件的命令

2)只用于普通文件的命令

3)特定文件系统类型的命令

其实上面的我三类我也没搞懂，反正我自己随便编了几个数当命令都没出错，如果真的怕出错，那就不要用别人已经使用的幻数就行了。

讲了这么多，终于要上程序了，修改一下上一个程序，让它看起来比较有内涵。

/3rd_char/3rd_char_4/2nd

1)先改一下命令：

/*test_cmd.h*/
#ifndef _TEST_CMD_H
#define _TEST_CMD_H#define TEST_MAGIC 'x' //定义幻数
#define TEST_MAX_NR 1 //定义命令的最大序数，只有一个命令当然是1#define TEST_CLEAR _IO(TEST_MAGIC, 0)#endif /*_TEST_CMD_H*/

2)既然这么辛苦改了cmd，在驱动函数当然要做一些参数检验：

/*test.c*/
int test_ioctl (struct inode *node, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{int ret = 0;struct _test_t *dev = filp->private_data;/*既然这么费劲定义了命令，当然要检验命令是否有效*/if (_IOC_TYPE(cmd) != TEST_MAGIC){return -EINVAL;}if (_IOC_NR(cmd) > TEST_MAX_NR){return -EINVAL;}switch (cmd){case TEST_CLEAR:memset(dev->kbuf, 0, DEV_SIZE);dev->cur_size = 0;filp->f_pos = 0;ret = 0;break;default: /*命令错误时的处理*/P_DEBUG("error cmd!\n");ret = -EINVAL;break;}return ret;
}

每个参数的传入都会先检验一下幻数还有序数是否正确。

3)应用程序的验证：

结果跟上一个完全一样，因为命令的操作没有修改

[root: 2nd]# insmod test.ko
major[253] minor[0]
hello kernel
[root: 2nd]# mknod /dev/test c 253 0
[root: 2nd]# ./app
<kernel>[test_write]write 10 bytes, cur_size:[10]
<kernel>[test_write]kbuf is [xiao bai]
read: No such device or address

四、ioctl中的arg之整数传参

上面讲的例子都没有使用ioctl的传参。这里先要说一下ioctl传参的方式。

应用层的ioctl的第三个参数是"..."，这个跟printf的"..."可不一样，printf中是意味这你可以传任意个数的参数，而ioctl最多也只能传一个，"..."的意思是让内核不要检查这个参数的类型。也就是说，从用户层可以传入任何参数，只要你传入的个数是1.

一般会有两种的传参方法：

1.整数，那可是省力又省心，直接使用就可以了。

2.指针，通过指针的就传什么类型都可以了，当然用起来就比较烦。

先说简单的，使用整数作为参数：

例子，实现个命令，通过传入参数更改偏移量，虽然llseek已经实现，这里只是想验证一下正数传参的方法。

1)先加个命令：

#ifndef _TEST_CMD_H#define _TEST_CMD_H#define TEST_MAGIC 'x' //定义幻数#define TEST_MAX_NR 2 //定义命令的最大序数#define TEST_CLEAR _IO(TEST_MAGIC, 1)#define TEST_OFFSET _IO(TEST_MAGIC, 2)
#endif /*_TEST_CMD_H*/

这里有人会问了，明明你是要传入参数，为什么不用_IOW而用_IO定义命令呢？

原因有二：

1)因为定义数据的传输方向是为了好让驱动的函数验证数据的安全性，而一般指针才需要检验安全性，因为有人会恶意传参(回想一下copy_to_user)。

2)个人喜好，方便我写程序介绍另一种传参方法，说白了命令也只是一个数，只要不要跟预定义命令冲突就可以了。

2)更新test_ioctl

int test_ioctl (struct inode *node, struct file *filp, unsigned int cmd, uns igned long arg)
{int ret = 0;struct _test_t *dev = filp->private_data;/*既然这么费劲定义了命令，当然要检验命令是否有效*/if (_IOC_TYPE(cmd) != TEST_MAGIC){return -EINVAL;}if (_IOC_NR(cmd) > TEST_MAX_NR){return -EINVAL;}switch (cmd){case TEST_CLEAR:memset(dev->kbuf, 0, DEV_SIZE);dev->cur_size = 0;filp->f_pos = 0;ret = 0;break;case TEST_OFFSET: //根据传入的参数更改偏移量filp->f_pos += (int)arg;P_DEBUG("change offset!\n");ret = 0;break;default: /*命令错误时的处理*/P_DEBUG("error cmd!\n");ret = -EINVAL;break;}return ret;
}

TSET_OFFSET命令就是根据传参更改偏移量，不过这里要注意一个问题，那就是参数的类型，驱动函数必须要知道从应用传来的参数是什么类型，不然就没法使用。在这个函数里，从应用层传来的参数是int，因此在驱动中也得用int。

3)再改一下应用程序：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>#include "test_cmd.h"int main(void)
{char buf[20];int fd;int ret;fd = open("/dev/test", O_RDWR);if (fd < 0){perror("open");return -1;}write(fd, "xiao bai", 10); //先写入ioctl(fd, TEST_OFFSET, -10); //再改偏移量ret = read(fd, buf, 10); //再读数据printf("<app> buf is [%s]\n", buf);if (ret < 0){perror("read");}close(fd);return 0;
}

4)验证一下

[root: 3rd]# insmod test.ko
major[253] minor[0]
hello kernel
[root: 3rd]# mknod /dev/test c 253 0
[root: 3rd]# ./app
<kernel>[test_write]write 10 bytes, cur_size:[10]
<kernel>[test_write]kbuf is [xiao bai]
<kernel>[test_ioctl]change offset! //更改偏移量
<kernel>[test_read]read 10 bytes, cur_size:[0] //没错误，成功读取！
<app> buf is [xiao bai]

上面的传参很简单把，接下来说一下以指针传参。

考虑到参数不可能永远只是一个正数这么简单，如果要传多一点的东西，譬如是结构体，那就得用上指针了。

五、ioctl中的arg之指针传参

一讲到从应用程序传来的指针，就得想起我邪恶的传入了非法指针的例子。所以，驱动程序中任何与应用层打交道的指针，都得先检验指针的安全性。

说到这检验又有两种方法：

1.用的时候才检验。

2.一进来ioctl就检验。

先说用的时候检验，说白了就是用copy_xx_user系列函数，下面实现一下:

1)先定义个命令

#ifndef _TEST_CMD_H
#define _TEST_CMD_Hstruct ioctl_data
{unsigned int size;char buf[100];
};#define DEV_SIZE 100#define TEST_MAGIC 'x'  //定义幻数
#define TEST_MAX_NR 3  //定义命令的最大序数#define TEST_CLEAR _IO(TEST_MAGIC, 1)
#define TEST_OFFSET _IO(TEST_MAGIC, 2)
#define TEST_KBUF _IO(TEST_MAGIC, 3)#endif  /*_TEST_CMD_H*/

里有定义多了一个函数，虽然这个命令是涉及到了指针的传参，但我还是_IOW，还是那一句，现在还不需要用上。

该命令的操作是传进一个结构体指针，驱动根据结构体的内容修改kbuf和cur_size和偏移量。

2)来个实现函数：

int test_ioctl (struct inode *node, struct file *filp, unsigned int cmd, uns igned long arg)
{int ret = 0;struct _test_t *dev = filp->private_data;struct ioctl_data val;/*既然这么费劲定义了命令，当然要检验命令是否有效*/if (_IOC_TYPE(cmd) != TEST_MAGIC){return -EINVAL;}if (_IOC_NR(cmd) > TEST_MAX_NR){return -EINVAL;}switch (cmd){case TEST_CLEAR:memset(dev->kbuf, 0, DEV_SIZE);dev->cur_size = 0;filp->f_pos = 0;ret = 0;break;case TEST_OFFSET: //根据传入的参数更改偏移量filp->f_pos += (int)arg;P_DEBUG("change offset!\n");ret = 0;break;case TEST_KBUF: //修改kbufif (copy_from_user(&val, (struct ioctl_data *)arg, sizeof(struct ioctl_data))){ret = -EFAULT;goto RET;}memset(dev->kbuf, 0, DEV_SIZE);memcpy(dev->kbuf, val.buf, val.size);dev->cur_size = val.size;filp->f_pos = 0;ret = 0;break;default: /*命令错误时的处理*/P_DEBUG("error cmd!\n");ret = -EINVAL;break;}RET:return ret;
}

copy_from_user所在行，因为指针是从用户程序传来，所以必须检查安全性。

3)来个应用程序

int main(void)
{char buf[20];int fd;int ret;struct ioctl_data my_data = {.size = 10,.buf  = "123456789"};fd = open("/dev/test", O_RDWR);if (fd < 0){perror("open");return -1;}write(fd, "xiao bai", 10);ioctl(fd, TEST_KBUF, &my_data);ret = read(fd, buf, 10);printf("<app> buf is [%s]\n", buf);if (ret < 0){perror("read");}close(fd);return 0;
}

4)再来验证一下：

[root: 4th]# ./app
<kernel>[test_write]write 10 bytes, cur_size:[10]
<kernel>[test_write]kbuf is [xiao bai]
<kernel>[test_read]read 10 bytes, cur_size:[0]
<app> buf is [123456789] //成功！

注：类似copy_xx_user的函数含有put_user、get_user等，我就不细说了。

下面说第二种方法：进入ioctl后使用access_ok检测。

声明一下：下面的验证方法是不正确的。如果不想看下去的话，今天的内容已经讲完了。

先说一下access_ok的使用

access_ok(type, addr, size)

使用：检测地址的安全性

参数：

type：用于指定数据传输的方向，VERIFY_READ表示要读取应用层数据，VERIFT_WRITE表示要往应用层写如数据。注意：这里和IOR IOW的方向相反。如果既读取又写入，那就使用VERIFY_WRITE。

addr：用户空间的地址

size：数据的大小

返回值：

成功返回1，失败返回0。

既然知道怎么用，就直接来程序了：

1)定义命令

#ifndef _TEST_CMD_H#define _TEST_CMD_Hstruct ioctl_data{unsigned int size;char        buf[100];};#define DEV_SIZE 100#define TEST_MAGIC 'x'  //定义幻数#define TEST_MAX_NR 3  //定义命令的最大序数#define TEST_CLEAR _IO(TEST_MAGIC, 1)#define TEST_OFFSET _IO(TEST_MAGIC, 2)#define TEST_KBUF _IOW(TEST_MAGIC, 3, struct ioctl_data)#endif  /*_TEST_CMD_H*/

这里终于要用_IOW了！

2)实现ioctl

int test_ioctl (struct inode *node, struct file *filp, unsigned int cmd, uns igned long arg)
{int ret = 0;struct _test_t *dev = filp->private_data;/*既然这么费劲定义了命令，当然要检验命令是否有效*/if (_IOC_TYPE(cmd) != TEST_MAGIC){return -EINVAL;}if (_IOC_NR(cmd) > TEST_MAX_NR){return -EINVAL;}/*根据提取命令指定的方向判断指针的安全性*/if (_IOC_DIR(cmd) & _IOC_READ){ret = access_ok(VERIFY_WRITE, (void __user *)arg, _IOC_SIZE(cmd));}else if (_IOC_DIR(cmd) & _IOC_WRITE){ret = access_ok(VERIFY_READ, (void __user *)arg, _IOC_SIZE(cmd));}if (!ret){return -EFAULT;}switch (cmd){case TEST_CLEAR:memset(dev->kbuf, 0, DEV_SIZE);dev->cur_size = 0;filp->f_pos = 0;ret = 0;break;case TEST_OFFSET: //根据传入的参数更改偏移量filp->f_pos += (int)arg;P_DEBUG("change offset!\n");ret = 0;break;case TEST_KBUF: //修改kbufmemset(dev->kbuf, 0, DEV_SIZE);memcpy(dev->kbuf, ((struct ioctl_data *)arg)->buf,((struct ioctl_data *)arg)->size);dev->cur_size = ((struct ioctl_data *)arg)->size;filp->f_pos = 0;ret = 0;break;default: /*命令错误时的处理*/P_DEBUG("error cmd!\n");ret = -EINVAL;break;}return ret;
}

上面并没有用copy_to_user，而是通过access_ok来检测。

3)再来个应用程序：

int main(void)
{char buf[20];int fd;int ret;struct ioctl_data my_data = {.size = 10,.buf  = "123456789"};fd = open("/dev/test", O_RDWR);if (fd < 0){perror("open");return -1;}write(fd, "xiao bai", 10);ret = ioctl(fd, TEST_KBUF, &my_data);if (ret < 0){perror("ioctl");}ret = read(fd, buf, 10);printf("<app> buf is [%s]\n", buf);if (ret < 0){perror("read");}close(fd);return 0;
}

4)验证一下：效果和上一个一样

[root: 5th]# ./app
<kernel>[test_write]write 10 bytes, cur_size:[10]
<kernel>[test_write]kbuf is [xiao bai]
<kernel>[test_read]read 10 bytes, cur_size:[0]
<app> buf is [123456789]

下面就要如正题了，这个驱动是有问题的，那就是验证安全性完全不起作用！当我传入非法指针时，驱动同样会输出，不信可以自己传个邪恶地址(void *)0进去试一下。

修改应用程序一样代码：

ret = ioctl(fd, TEST_KBUF, &my_data);

上面是我做的错误实现，我本来想验证，只要经过access_ok检验，数据就会安全，没想到经过access_ok检验之后照样会出错。

但是，copy_to_user同样是先调用access_ok再调用memcpy，它却没出错。这个我事情我现在都没搞明白，如果谁知道了麻烦指点一下。

我查了设备驱动第三版，在144页有这样的说法：

1.access_ok并没有做完的所有的内存检查，

2.大多数的驱动代码都不是用access_ok的，后面的内存管理会讲述。

在这里书本上有这样的约定：（都是我自己的理解）

1.传入指针需要检查安全性。memcpy函数尽量不要在内核中使用。

2.copy_to_user.copy_from_user.get_user.put_user函数会再拷贝数据前检测指针的安全性。不需要access_ok。

3.如果在ioctl函数开头使用了accsee_ok检验数据，接下来的代码可以使用__put_user或__get_user这些不需要检测的函数（书上有例子）

虽然还有写东西还没搞懂，但个人觉得，如果使用个access_ok要这么麻烦的话，那我就不用好了，以后我就使用copy_xx_user函数，省力又省心。