linux字符设备驱动的 ioctl 幻数

在Linux字符设备驱动入门（一）中，我们实现了字符设备的简单读写字符功能，接下来我们要在这个基础上加入ioctl功能。首先，我们先来看看3.0内核下../include/linux/fs.h中file_operations结构体的定义：

struct file_operations {
   struct module *owner;
   loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
   ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
   ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
   ssize_t (*aio_read) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
   ssize_t (*aio_write) (struct kiocb *, const struct iovec *, unsigned long, loff_t);
   int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t);
   unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
   long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
   long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
   int (*mmap) (struct file *, struct vm_area_struct *);
   int (*open) (struct inode *, struct file *);
   int (*flush) (struct file *, fl_owner_t id);
   int (*release) (struct inode *, struct file *);
   int (*fsync) (struct file *, int datasync);
   int (*aio_fsync) (struct kiocb *, int datasync);
   int (*fasync) (int, struct file *, int);
   int (*lock) (struct file *, int, struct file_lock *);
   ssize_t (*sendpage) (struct file *, struct page *, int, size_t, loff_t *, int);
   unsigned long (*get_unmapped_area)(struct file *, unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long);
   int (*check_flags)(int);
   int (*flock) (struct file *, int, struct file_lock *);
   ssize_t (*splice_write)(struct pipe_inode_info *, struct file *, loff_t *, size_t, unsigned int);
   ssize_t (*splice_read)(struct file *, loff_t *, struct pipe_inode_info *, size_t, unsigned int);
   int (*setlease)(struct file *, long, struct file_lock **);
   long (*fallocate)(struct file *file, int mode, loff_t offset,
              loff_t len);
};

红色字体已经标出在kernel 3.0中已经完全删除了struct file_operations 中的ioctl 函数指针，剩下unlocked_ioctl和compat_ioctl，取而代之的是unlocked_ioctl,主要改进就是不再需要上大内核锁（调用之前不再先调用lock_kernel()然后再unlock_kernel()）。

所以，在hellow.c中，我们在file_operations中加入成员函数hello_ioctl(红色字体部分）：

/* file operations for hello device */
static struct file_operations hello_ops = {
   .owner = THIS_MODULE,
   .unlocked_ioctl = hello_ioctl,
   .open = hello_open,
   .read = hello_read,
   .write = hello_write,
   .release = hello_release,
};

hello_ioctl()的定义如下：

static int hello_ioctl( struct file *file,
           unsigned int cmd, unsigned long arg)
{   int temp = 0;
   switch(cmd)
   {
      case HELLO_CMD1:
               {
           temp = 1;
           if(copy_to_user( (int *)arg, &temp, sizeof(int))) return -EFAULT;
           break;
               }
      case HELLO_CMD2:
           {
           temp = 2;
           if(copy_to_user( (int *)arg, &temp, sizeof(int))) return -EFAULT;
           break;
           }
   }
   printk( KERN_NOTICE"ioctl CMD%d done!\n",temp);

return 0;

}

这里强调一下cmd的定义：

#define HELLO_MAGIC 'k'
#define HELLO_CMD1 _IO(HELLO_MAGIC,0x1a)
#define HELLO_CMD2 _IO(HELLO_MAGIC,0x1b)
其中'k'为幻数，要按照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Documentation/ioctl-number.txt这两个文件，下面是ioctl.h的部分内容，也是比较重要的：

_IO(type, nr) 用于构造无参数的命令编号；
_IOR(type, nr, datatype) 用于构造从驱动程序中读取数据的命令编号；
_IOW(type, nr, datatype)用于写入数据的命令；
_IOWR(type, nr, datatype)用于双向传输。注意千万不能重复定义。

注意对幻数的编号千万不能重复定义，如ioctl-number.txt已经说明‘k'的编号已经被占用的范围为：

'k' 00-0F linux/spi/spidev.h conflict!
'k' 00-05 video/kyro.h conflict!

所以我们在这里分别编号为0x1a和0x1b，到这里，我们已经完成了对ioctl功能的编写，接下来就是在测试程序中利用系统调用来测试它。

=============================================================

ioctl测试程序

=============================================================
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>

#define HELLO_MAGIC 'k' //当然我们也可以定义一个相应的头文件，把ioctl的cmd放进里面，然后再include进来
#define HELLO_CMD1 _IO(HELLO_MAGIC,0x1a)
#define HELLO_CMD2 _IO(HELLO_MAGIC,0x1b)

int main(void)
{
int ioctl_rdata;
int fd, ret;

fd = open ( "/dev/hellow" , O_RDWR);
   if ( fd == -1 )
   {
      perror("open");
      exit(0);
       }

ret = ioctl( fd, HELLO_CMD2,&ioctl_rdata);
   if ( ret == -1)
   {
   perror("ioctl");
   exit(0);
   }
   printf("ioctl_rdata= %d \n",ioctl_rdata);

close(fd);
return 0;
}
=============================================================

运行结果

=============================================================

root@Ubuntu:~/share/hellow# insmod hellow.ko
root@Ubuntu:~/share/hellow# mknod /dev/hellow c 251 0
root@Ubuntu:~/share/hellow# ./a.out
ioctl_rdata= 2
root@Ubuntu:~/share/hellow# dmesg | tail

[ 2431.126532] hello init. major:251, minor:0
[ 2453.326022] Hello device open!

[ 2453.326047] ioctl CMD2 done!
[ 2453.326487] Hello device close!

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