關(guān)于驅(qū)動程序中的Ioctl--Coly分析

一、 什么是ioctl
　　ioctl是設(shè)備驅(qū)動程序中對設(shè)備的I/O通道進(jìn)行管理的函數(shù)。所謂對I/O通道進(jìn)行管理，就是對設(shè)備的一些特性進(jìn)行控制，例如串口的傳輸波特率、馬達(dá)的轉(zhuǎn)速等等。它的調(diào)用個數(shù)如下：
　　
　　int ioctl(int fd, ind cmd, …)；其中fd就是用戶程序打開設(shè)備時(shí)使用open函數(shù)返回的文件標(biāo)示符，cmd就是用戶程序?qū)υO(shè)備的控制命令，至于后面的省略號，那是一些補(bǔ)充參數(shù)，一般最多一個，有或沒有是和cmd的意義相關(guān)的。
　　
　　ioctl函數(shù)是文件結(jié)構(gòu)中的一個屬性分量，就是說如果你的驅(qū)動程序提供了對ioctl的支持，用戶就可以在用戶程序中使用ioctl函數(shù)控制設(shè)備的I/O通道。
　　
　　二、 ioctl的必要性
　　如果不用ioctl的話，也可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備I/O通道的控制，但那就是蠻擰了。例如，我們可以在驅(qū)動程序中實(shí)現(xiàn)write的時(shí)候檢查一下是否有特殊約定的數(shù)據(jù)流通過，如果有的話，那么后面就跟著控制命令（一般在socket編程中常常這樣做）。但是如果這樣做的話，會導(dǎo)致代碼分工不明，程序結(jié)構(gòu)混亂，程序員自己也會頭昏眼花的。
　　
　　所以，我們就使用ioctl來實(shí)現(xiàn)控制的功能。要記住，用戶程序所作的只是通過命令碼告訴驅(qū)動程序它想做什么，至于怎么解釋這些命令和怎么實(shí)現(xiàn)這些命令，這都是驅(qū)動程序要做的事情。
　　
　　三、 ioctl如何實(shí)現(xiàn)
　　這是一個很麻煩的問題，我是能省則省。要說清楚它，沒有四五千字是不行的，所以我這里是不可能把它說得非常清楚了，不過如果有讀者對用戶程序怎么和驅(qū)動程序聯(lián)系起來感興趣的話，可以看我前一陣子寫的《write的奧秘》。讀者只要把write換成ioctl，就知道用戶程序的ioctl是怎么和驅(qū)動程序中的ioctl實(shí)現(xiàn)聯(lián)系在一起的了。
　　
　　我這里說一個大概思路，因?yàn)槲矣X得《Linux設(shè)備驅(qū)動程序》這本書已經(jīng)說的非常清楚了，但是得化一些時(shí)間來看。
　　
　　在驅(qū)動程序中實(shí)現(xiàn)的ioctl函數(shù)體內(nèi)，實(shí)際上是有一個switch{case}結(jié)構(gòu)，每一個case對應(yīng)一個命令碼，做出一些相應(yīng)的操作。怎么實(shí)現(xiàn)這些操作，這是每一個程序員自己的事情，因?yàn)樵O(shè)備都是特定的，這里也沒法說。關(guān)鍵在于怎么樣組織命令碼，因?yàn)樵趇octl中命令碼是唯一聯(lián)系用戶程序命令和驅(qū)動程序支持的途徑。
　　
　　命令碼的組織是有一些講究的，因?yàn)槲覀円欢ㄒ龅矫詈驮O(shè)備是一一對應(yīng)的，這樣才不會將正確的命令發(fā)給錯誤的設(shè)備，或者是把錯誤的命令發(fā)給正確的設(shè)備，或者是把錯誤的命令發(fā)給錯誤的設(shè)備。這些錯誤都會導(dǎo)致不可預(yù)料的事情發(fā)生，而當(dāng)程序員發(fā)現(xiàn)了這些奇怪的事情的時(shí)候，再來調(diào)試程序查找錯誤，那將是非常困難的事情。所以在Linux核心中是這樣定義一個命令碼的：
　　____________________________________
　　| 設(shè)備類型 | 序列號 | 方向 |數(shù)據(jù)尺寸|
　　|----------|--------|------|--------|
　　| 8 bit　　|　8 bit |2 bit |8~14 bit|
　　|----------|--------|------|--------|
　　
　　這樣一來，一個命令就變成了一個整數(shù)形式的命令碼。但是命令碼非常的不直觀，所以Linux Kernel中提供了一些宏，這些宏可根據(jù)便于理解的字符串生成命令碼，或者是從命令碼得到一些用戶可以理解的字符串以標(biāo)明這個命令對應(yīng)的設(shè)備類型、設(shè)備序列號、數(shù)據(jù)傳送方向和數(shù)據(jù)傳輸尺寸。
　　
　　這些宏我就不在這里解釋了，具體的形式請讀者察看Linux核心源代碼中的和，文件里給除了這些宏完整的定義。這里我只多說一個地方，那就是"幻數(shù)"。
　　
　　幻數(shù)是一個字母，數(shù)據(jù)長度也是8，所以就用一個特定的字母來標(biāo)明設(shè)備類型，這和用一個數(shù)字是一樣的，只是更加利于記憶和理解。就是這樣，再沒有更復(fù)雜的了。
　　
　　更多的說了也沒有，讀者還是看一看源代碼吧，推薦各位閱讀《Linux 設(shè)備驅(qū)動程序》所帶源代碼中的short一例，因?yàn)樗容^短小，功能比較簡單，可以看明白ioctl的功能和細(xì)節(jié)。
　　
　　四、 cmd參數(shù)如何得出
　　這里確實(shí)要說一說，cmd參數(shù)在用戶程序端由一些宏根據(jù)設(shè)備類型、序列號、傳送方向、數(shù)據(jù)尺寸等生成，這個整數(shù)通過系統(tǒng)調(diào)用傳遞到內(nèi)核中的驅(qū)動程序，再由驅(qū)動程序使用解碼宏從這個整數(shù)中得到設(shè)備的類型、序列號、傳送方向、數(shù)據(jù)尺寸等信息，然后通過switch{case}結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的操作。
　　
　　要透徹理解，只能是通過閱讀源代碼，我這篇文章實(shí)際上只是一個引子。Cmd參數(shù)的組織還是比較復(fù)雜的，我認(rèn)為要搞熟它還是得花不少時(shí)間的，但是這是值得的，驅(qū)動程序中最難的是對中斷的理解。
　　
　　五、 小結(jié)
　　ioctl其實(shí)沒有什么很難的東西需要理解，關(guān)鍵是理解cmd命令碼是怎么在用戶程序里生成并在驅(qū)動程序里解析的，程序員最主要的工作量在switch{case}結(jié)構(gòu)中，因?yàn)閷υO(shè)備的I/O控制都是通過這一部分的代碼實(shí)現(xiàn)的。