主题：ioctl函数详细说明（2）

通常，一个用户程序使用ioctl (sockid,SIOCDEVPRIVATE,(char*)&ifr)来调用与某种设备（指像WaveLAN那样的特殊设备）相关的 ioctl命令，这里ifr是struct ifreq ifr形式的变量。用户程序应当在ifr.ifr_name中填充与这个设备相关的名字，例如，假设WaveLAN使用的接口号为eth1。一般的，一个 用户程序还需要与内核互相交换ioctl的command参数和结果，这可以通过ifr.ifr_data这个变量来实现，例如，想得到WaveLAN中 表示信号强度的信息时，可以通过返回这个变量来实现。Linux的源代码已经包括了两种设备de4x5和ewrk3，它们定义并且实现了特定的ioctl 调用。这两个设备的源代码在de4x5.h,de4x5.c,ewrk3.h,ewrk3.c中（在 /usr/src/linux/drivers/net/目录中）。这两种设备都定义了它们特有的结构（struct ewrk3_ioctl 和 struct de4x5_ioctl）来方便用户程序和设备驱动之间交换信息。每次调用ioctl前，用户程序应当在相应的结构变量中设定合适的初值，并且将 ifr.ifr_data指向该值。

在我们进一步讨论ewrk3和de4x5的代码前，让我们仔细看看ioctl调用是如何一步步地实现的。所有的和接口相关的ioctl请求 (SIOCxIFyyyy 和 SIOCDEVPRIVATE)将会调用dev_ioctl()（在/usr/src/linux/net/core/dev.c中）。但这只是一个包装 器（wrapper），实际的动作将由dev_ifsioc()（也在dev.c中）来实现。差不多dev_ioctl()这个函数所做的所有工作只是检 查这个调用是否已经有了正当的权限（例如，改变路由表需要有root的权限）。而dev_ifsioc()这个函数首先要做的一些事情包括得到与 ifr.ifr_name相匹配的设备的结构（在/usr/include/linux/netdevice.h中定义）。但这是在实现特定的接口命令 （例如：SIOCGIFADDR）之后。这些特定的接口命令被放置到一个巨大的switch语句之中。其中SIOCDEVPRIVATE命令和其他的在 0x89F0到0x89FF之间的代码将出现在switch语句中的一个分支——default语句中。内核会检查表示设备的结构变量中，是否已经定义了 一个与设备相关的ioctl句柄（handler）。这里的句柄是一个函数指针，它在表示设备的结构变量中do_ioctl部分。如果已经设置了这个句 柄，那么内核将会执行它。

所以，如果要实现一个与设备相关的ioctl命令，所要做的只是编写一个与这个设备相关的ioctl句柄，并且将表示这 个设备的结构变量中do_ioctl部分指向这个句柄。对于ewrk3这个设备，它的句柄是ewrk3_ioctl()（在ewrk3.c里面）并且相应 的表示该设备的结构变量由ewrk3_init()来初始化。在ewrk3_ioctl()的代码中清晰的指出ifr.ifr_data是用作设备驱动程 序和用户程序之间交换信息的。注意，这部分的内存可以双向的交流信息。例如，在ewrk3的驱动程序代码中，if.ifr_data的头两个字节是用来表 示特殊的动作（例如，EWRK3_SET_PROM,EWRK3_CLR_PROM），而这个动作是符合使用者（驱动程序实现了多个与设备相关的、由 SIOCDEVPRIVATE调用的命令）的要求的。另外，ifr.ifr_data中第5个字节指向的缓冲区(buffer)被用来交换其他的信息 （如：当使用EWRK3_SET_HWADDR和EWRK3_GET_HWADDR时为硬件地址）

在 你深入ewrk3_ioctl()时，请注意一般情况下一个用户进程不能直接访问内核所在的内存。为此，驱动开发者可以使用两个特殊的函数 memcpy_tofs()和memcpy_fromfs()。内核函数memcpy_tofs(arg1, arg2, arg3) 从地址arg2（用户空间）向地址arg1(内核空间)拷贝arg3个字节。类似的，memcpy_fromfs(arg1,arg2,arg3)从地址 arg2（用户空间）向地址arg1（内核空间）拷贝arg3个字节。在这些调用之前，verify_area()将会检查这个进程是否拥有合适的访问权 限。另外，注意使用printk()函数可以输出debug信息。这个函数与printf()函数类似，但不能处理浮点类型的数。内核代码不能够使用 printf()函数。printk()函数产生的结果将记录在/usr/adm/messages里。如果想知道更多的关于这些函数的或者与它们相关的 信息，可以参考《Linux Kernel Hacker’s Guide》（在Linux文档网站的首页） 这本书中Supporting Functions部分。

使用ioctl与内核交换数据
1. 前言 使用ioctl系统调用是用户空间向内核交换数据的常用方法之一，从ioctl这个名称上看，本意是针对I/O设备进行的控制操作，但实际并不限制是真正的I/O设备，可以是任何一个内核设备即可。
2. 基本过程 在 内核空间中ioctl是很多内核操作结构的一个成员函数，如文件操作结构struct file_operations(include/linux/fs.h)、协议操作结构struct proto_ops(include/linux/net.h)等、tty操作结构struct tty_driver(include/linux/tty_driver.h)等，而这些操作结构分别对应各种内核设备，只要在用户空间打开这些设备， 如I/O设备可用open(2)打开，网络协议可用socket(2)打开等，获取一个文件描述符后，就可以在这个描述符上调用ioctl(2)来向内核 交换数据。 3. ioctl(2) ioctl(2)函数的基本使用格式为：int ioctl(int fd, int cmd, void *data)第一个参数是文件描述符；cmd是操作命令，一般分为GET、SET以及其他类型命令，GET是用户空间进程从内核读数据，SET是用户空间进程向内核写数据，cmd虽然是一个整数，但是有一定的参数格式的，下面再详细说明；第三个参数是数据起始位置指针，cmd命令参数是个32位整数，分为四部分：dir(2b) size(14b) type(8b) nr(8b)详细定义cmd要包括这4个部分时可使用宏_IOC(dir,type,nr,size)来定义，而最简单情况下使用_IO(type, nr)来定义就可以了，这些宏都在include/asm/ioctl.h中定义本文cmd定义为：
#define NEWCHAR_IOC_MAGIC 'M'
#define NEWCHAR_SET _IO(NEWCHAR_IOC_MAGIC, 0)
#define NEWCHAR_GET _IO(NEWCHAR_IOC_MAGIC, 1)
#define NEWCHAR_IOC_MAXNR 1
要 定义自己的ioctl操作，可以有两个方式，一种是在现有的内核代码中直接添加相关代码进行支持，比如想通过socket描述符进行 ioctl操作，可在net/ipv4/af_inet.c中的inet_ioctl()函数中添加自己定义的命令和相关的处理函数，重新编译内核即可， 不过这种方法一般不推荐；第二种方法是定义自己的内核设备，通过设备的ioctl()来操作，可以编成模块，这样不影响原有的内核，这是最通常的做法。 4. 内核设备 为进行ioctl操作最通常是使用字符设备来进行，当然定义其他类型的设备也可以。在用户空间，可使用mknod命令建立一个字符类型设备文件，假设该设备的主设备号为123，次设备号为0：mknode /dev/newchar c 123 0如果是编程的话，可以用mknode(2)函数来建立设备文件。 建立设备文件后再将该设备的内核模块文件插入内核，就可以使用open(2)打开/dev/newchar文件，然后调用ioctl(2)来传递数据，最后用close(2)关闭设备。而如果内核中还没有插入该设备的模块，open(2)时就会失败。 由于内核内存空间和用户内存空间不同，要将内核数据拷贝到用户空间，要使用专用拷贝函数copy_to_user()；要将用户空间数据拷贝到内核，要使用copy_from_user()。要最简单实现以上功能，内核模块只需要实现设备的open, ioctl和release三个函数即可，
下面介绍程序片断：static int newchar_ioctl(struct inode *inode, struct file *filep,
unsigned int cmd, unsigned long arg);
static int newchar_open(struct inode *inode, struct file *filep);
static int newchar_release(struct inode *inode, struct file *filep);// 定义文件操作结构，结构中其他元素为空
struct file_operations newchar_fops =
{
owner: THIS_MODULE,
ioctl: newchar_ioctl,
open: newchar_open,
release: newchar_release,
};// 定义要传输的数据块结构
struct newchar{
int a;
int b;
};#define MAJOR_DEV_NUM 123
#define DEVICE_NAME "newchar" 打开设备，非常简单，就是增加模块计数器，防止在打开设备的情况下删除模块,
当然想搞得复杂的话可进行各种限制检查，如只允许指定的用户打开等：static int newchar_open(struct inode *inode, struct file *filep)
{
MOD_INC_USE_COUNT; return 0;}
关闭设备，也很简单，减模块计数器：
static int newchar_release(struct inode *inode, struct file *filep)
{
MOD_DEC_USE_COUNT; return 0;}
进行ioctl调用的基本处理函数
static int newchar_ioctl(struct inode *inode, struct file *filep,
unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
int ret;// 首先检查cmd是否合法
if (_IOC_TYPE(cmd) != NEWCHAR_IOC_MAGIC) return -EINVAL;
if (_IOC_NR(cmd) > NEWCHAR_IOC_MAXNR) return -EINVAL;// 错误情况下的缺省返回值
ret = EINVAL; switch(cmd)
{
case KNEWCHAR_SET:
// 设置操作，将数据从用户空间拷贝到内核空间
{
struct newchar nc;
if(copy_from_user(&nc, (const char*)arg, sizeof(nc)) != 0)
return -EFAULT;
ret = do_set_newchar(&nc);
}
break;
case KNEWCHAR_GET:
// GET操作通常会在数据缓冲区中先传递部分初始值作为数据查找条件，获取全部
// 数据后重新写回缓冲区
// 当然也可以根据具体情况什么也不传入直接向内核获取数据
{
struct newchar nc;
if(copy_from_user(&nc, (const char*)arg, sizeof(nc)) != 0)
return -EFAULT;
ret = do_get_newchar(&nc);
if(ret == 0){
if(copy_to_user((unsigned char *)arg, &nc, sizeof(nc))!=0)
return -EFAULT;
} }
break;
}
return ret;
}模块初始化函数，登记字符设备
static int __init _init(void)
{
int result;
// 登记该字符设备，这是2.4以前的基本方法，到2.6后有了些变化，
// 是使用MKDEV和cdev_init()来进行，本文还是按老方法
result = register_chrdev(MAJOR_DEV_NUM, DEVICE_NAME, &newchar_fops);
if (result < 0) {
printk(KERN_WARNING __FUNCTION__ ": failed register character device for /dev/newchar\n");
return result;
}
return 0;}
模块退出函数，登出字符设备
static void __exit _cleanup(void)
{
int result; result = unregister_chrdev(MAJOR_DEV_NUM, DEVICE_NAME);
if (result < 0)
printk(__FUNCTION__ ": failed unregister character device for /dev/newchar\n"); return;} module_init(_init);
module_exit(_cleanup); 5. 结论 用ioctl()在用户空间和内核空间传递数据是最常用方法之一，比较简单方便，而且可以在同一个ioctl中对不同的命令传送不同的数据结构，本文只是为描述方便而在不同命令中使用了相同的数据结构。