如何在 Linux 中正确使用字符驱动程序的 ioctl 方法？

Linux字符设备驱动中的ioctl接口是一种用于实现对设备进行控制操作的系统调用，它允许应用程序通过传递命令参数来控制设备的硬件行为，而不仅仅是读写数据，ioctl接口在应用层和驱动层之间提供了一种灵活的交互方式，使得驱动程序可以根据不同的命令执行相应的操作。

应用层ioctl接口

在应用层，ioctl函数的原型如下：

#include <sys/ioctl.h>
int ioctl(int fd, unsigned long request, ...);

参数说明：

fd：文件描述符，通过open()函数打开设备文件时获得。

request：给驱动层传递的命令，需要注意应用层的命令和驱动层的命令必须统一。

...：可变参数，根据具体的命令需求传递不同的参数。

返回值：

成功时返回0，失败时返回-1并设置errno。

驱动层ioctl接口

在驱动层，ioctl函数的原型如下：

#include <linux/ioctl.h>
long (*unlocked_ioctl) (struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);
long (*compat_ioctl) (struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);

参数说明：

file *filp：为打开字符设备文件的进程创建的结构体，用于存放文件的动态信息。

unsigned int cmd：用户层传入的命令，根据不同的命令执行不同的操作。

unsigned long arg：用户层传入的可变参数。

返回值：

成功时返回0，失败时返回带错误码的负值。

ioctl命令格式

Linux中提供了一种统一的ioctl命令格式，将32位int型数据划分为四个位段：

设备类型（type）：占据8位，也叫做“幻数”或“魔数”，可以是任意char型字符，用于标识设备类型。

序列号（nr）：占据8位，可以是任意unsigned char型数据，取值范围0~255，代表设备的第几个命令。

方向（dir）：占据2位，表示数据传输方向，可以是_IOC_NONE（无数据）、_IOC_READ（读数据）、_IOC_WRITE（写数据）、_IOC_READ|_IOC_WRITE（读写数据）。

数据尺寸（size）：涉及到ioctl函数的第三个参数arg，占据剩余的8~14位，表示需要读写的参数大小。

示例代码

以下是一个简化的示例，展示了如何在驱动层实现ioctl接口：

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/uaccess.h>
static long scull_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
    switch (cmd) {
        case SCULL_IOC_MAXNR:
            // 处理命令SCULL_IOC_MAXNR
            break;
        default:
            return -ENOTTY;
    }
    return 0;
}
static struct file_operations fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .unlocked_ioctl = scull_ioctl,
    .open = scull_open,
    .release = scull_release,
};
static int __init scull_init(void) {
    // 注册字符设备驱动等初始化操作
    return 0;
}
static void __exit scull_exit(void) {
    // 注销字符设备驱动等清理操作
}
module_init(scull_init);
module_exit(scull_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

在这个示例中，我们定义了一个名为scull_ioctl的函数来处理ioctl命令，当接收到不同的命令时，该函数会根据命令执行相应的操作，我们还需要在file_operations结构体中指定unlocked_ioctl成员为scull_ioctl函数。