linux驱动：[3]高级字符设备驱动之ioctl

测试平台： x86 PC linux-4.4.0

1.实验目的：

• 学习并编写ioctl linux高级字符设备驱动程序。
• 编写驱动 scull ，使用5个指令实现对设备数据的清零，读取，写入操作。

2.驱动代码：(解析见下方)

scull.c:

#include <linux/module.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/device.h>

#include "scull.h"

//设备私有数据
struct scull_dev {
    int data;
    struct cdev cdev;
} dev;

//最大IOCTL命令号
#define SCULL_IOC_MAXNR 4
//默认自动分配主设备号
#define SCULL_DEV_MAJOR 0
static int scull_major = SCULL_DEV_MAJOR;
module_param(scull_major, int, S_IRUGO);

struct class *scull_class;
struct cdev cdev;

long scull_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
    int err = 0, retval = 0;

//判断命令幻数是否匹配
    if (_IOC_TYPE(cmd) != SCULL_IOC_MAGIC)
        return -ENOTTY;
//判断命令序号是否非法
    if (_IOC_NR(cmd) > SCULL_IOC_MAXNR)
        return -ENOTTY;
//判断空间是否可访问
    /* VERIFY_WRITE 是 VERIFY_READ 超集 */
    if (_IOC_DIR(cmd) & _IOC_READ)
        err = !access_ok(VERIFY_WRITE, (void *)arg, _IOC_SIZE(cmd));
    else if (_IOC_DIR(cmd) & _IOC_WRITE)
        err = !access_ok(VERIFY_READ, (void *)arg, _IOC_SIZE(cmd));
    if (err)
        return -EFAULT;

    switch (cmd) {
        case SCULL_IOC_CLEAR://数据清零
            dev.data = 0;
            printk("SCULL_IOC_CLEAR data: 0\n");
            break;
        case SCULL_IOC_GET://获取数据(通过指针)
            retval = __put_user(dev.data, (int __user *)arg);
            printk("SCULL_IOC_GET data: %d\n", dev.data);
            break;
        case SCULL_IOC_QUERY://获取数据(通过返回值)
            printk("SCULL_IOC_QUERY data: %d\n", dev.data);
            retval = dev.data;
            break;
        case SCULL_IOC_SET://设置数据(通过指针)
            retval = __get_user(dev.data, (int __user *)arg);
            printk("SCULL_IOC_SET data: %d\n", dev.data);
            break;
        case SCULL_IOC_TELL://设置数据(通过直接引用参数值)
            dev.data = arg;
            printk("SCULL_IOC_TELL data: %d\n", arg);
            break;
        default:
            retval = -EINVAL;
            break;
    }

    return retval;
}

static const struct file_operations scull_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .unlocked_ioctl = scull_ioctl,//linux 2.6.36内核之后unlocked_ioctl取代ioctl
};

static int scull_init(void)
{
    //设备号
    dev_t devno = MKDEV(scull_major, 0);
    int result;

    if (scull_major)//静态分配设备号
        result = register_chrdev_region(devno, 1, "scull");
    else {//动态分配设备号
        result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "scull");
        scull_major = MAJOR(devno);
    }

    if (result < 0)
        return result;

//用于udev/mdev自动创建节点
    scull_class = class_create(THIS_MODULE, "scull");
    device_create(scull_class, NULL, devno, NULL, "scull");

//静态添加cdev
    cdev_init(&cdev, &scull_fops);
    cdev.owner = THIS_MODULE;
    cdev_add(&cdev, devno, 1);
    printk("scull init success\n");
    return 0;
}

static void scull_exit(void)
{
    cdev_del(&cdev);
    device_destroy(scull_class, MKDEV(scull_major, 0));
    class_destroy(scull_class);
    unregister_chrdev_region(MKDEV(scull_major, 0), 1);
    printk("scull exit success\n");
}

MODULE_AUTHOR("Ziping Chen <techping.chan@gmail.com>");
MODULE_LICENSE("GPL");

module_init(scull_init);
module_exit(scull_exit);

scull.h:

#ifndef SCULL_H_
#define SCULL_H_

//定义幻数
#define SCULL_IOC_MAGIC '$'

//定义命令->
//数据清零
#define SCULL_IOC_CLEAR _IO(SCULL_IOC_MAGIC, 0)
//获取数据(通过指针)
#define SCULL_IOC_GET   _IOR(SCULL_IOC_MAGIC, 1, int)
//获取数据(通过返回值)
#define SCULL_IOC_QUERY _IO(SCULL_IOC_MAGIC, 2)
//设置数据(通过指针)
#define SCULL_IOC_SET   _IOW(SCULL_IOC_MAGIC, 3, int)
//设置数据(通过直接引用参数值)
#define SCULL_IOC_TELL  _IO(SCULL_IOC_MAGIC, 4)

#endif

Makefile:

obj-m := scull.o #编译进模块
KERNELDIR := /lib/modules/4.4.0-59-generic/build #此处为linux内核库目录
PWD := $(shell pwd) #获取当前目录
OUTPUT := $(obj-m) $(obj-m:.o=.ko) $(obj-m:.o=.mod.o) $(obj-m:.o=.mod.c) modules.order Module.symvers
 
modules:
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
 
clean:
    rm -rf $(OUTPUT)

linux c应用程序测试：

#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>

#include "scull.h"

int main(void)
{
    int fd;
    int data;

//打开设备
    fd = open("/dev/scull", O_RDWR);
    if (fd == -1) {
        printf("open scull device failed!\n");
        return -1;
    }

//数据清零  
    ioctl(fd, SCULL_IOC_CLEAR);

//直接传值测试
    data = ioctl(fd, SCULL_IOC_QUERY);
    printf("app data %d\n", data);
    data = 100;
    ioctl(fd, SCULL_IOC_TELL, data);

//指针传值测试
    ioctl(fd, SCULL_IOC_GET, &data);
    data = 122;
    ioctl(fd, SCULL_IOC_SET, &data);

    return 0;
}

测试结果：

result

3.代码解析：

代码的大部分解析都位于上面测试，这里我只是提一下程序编写过程中可能出现的问题：

• error: unknown field 'ioctl' specified in initializer

  这个错误是因为在linux 2.6.36内核之后，去掉了原来的ioctl，添加两个新的成员：

  long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);

  将scull_fops中.ioctl替换为.unlocked_ioctl，另外scull_ioctl()要去掉inode参数，返回类型为long。

• 没有编写scull_open()函数，设备默认成功打开。

• 编译没有成功可能是没有包含对应的头文件，头文件可以通过查阅手册或者网络搜索得知。

• 查看printk信息可通过 dmesg shell指令。

• 每个函数的参数都是确定的不变的，不要自己擅自改动。

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