關(guān)于驅動(dòng)程序中的Ioctl--Coly分析

一、 什么是ioctl
　　ioctl是設備驅動(dòng)程序中對設備的I/O通道進(jìn)行管理的函數。所謂對I/O通道進(jìn)行管理，就是對設備的一些特性進(jìn)行控制，例如串口的傳輸波特率、馬達的轉速等等。它的調用個(gè)數如下：
　　
　　int ioctl(int fd, ind cmd, …)；其中fd就是用戶(hù)程序打開(kāi)設備時(shí)使用open函數返回的文件標示符，cmd就是用戶(hù)程序對設備的控制命令，至于后面的省略號，那是一些補充參數，一般最多一個(gè)，有或沒(méi)有是和cmd的意義相關(guān)的。
　　
　　ioctl函數是文件結構中的一個(gè)屬性分量，就是說(shuō)如果你的驅動(dòng)程序提供了對ioctl的支持，用戶(hù)就可以在用戶(hù)程序中使用ioctl函數控制設備的I/O通道。
　　
　　二、 ioctl的必要性
　　如果不用ioctl的話(huà)，也可以實(shí)現對設備I/O通道的控制，但那就是蠻擰了。例如，我們可以在驅動(dòng)程序中實(shí)現write的時(shí)候檢查一下是否有特殊約定的數據流通過(guò)，如果有的話(huà)，那么后面就跟著(zhù)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(huà)，會(huì )導致代碼分工不明，程序結構混亂，程序員自己也會(huì )頭昏眼花的。
　　
　　所以，我們就使用ioctl來(lái)實(shí)現控制的功能。要記住，用戶(hù)程序所作的只是通過(guò)命令碼告訴驅動(dòng)程序它想做什么，至于怎么解釋這些命令和怎么實(shí)現這些命令，這都是驅動(dòng)程序要做的事情。
　　
　　三、 ioctl如何實(shí)現
　　這是一個(gè)很麻煩的問(wèn)題，我是能省則省。要說(shuō)清楚它，沒(méi)有四五千字是不行的，所以我這里是不可能把它說(shuō)得非常清楚了，不過(guò)如果有讀者對用戶(hù)程序怎么和驅動(dòng)程序聯(lián)系起來(lái)感興趣的話(huà)，可以看我前一陣子寫(xiě)的《write的奧秘》。讀者只要把write換成ioctl，就知道用戶(hù)程序的ioctl是怎么和驅動(dòng)程序中的ioctl實(shí)現聯(lián)系在一起的了。
　　
　　我這里說(shuō)一個(gè)大概思路，因為我覺(jué)得《Linux設備驅動(dòng)程序》這本書(shū)已經(jīng)說(shuō)的非常清楚了，但是得化一些時(shí)間來(lái)看。
　　
　　在驅動(dòng)程序中實(shí)現的ioctl函數體內，實(shí)際上是有一個(gè)switch{case}結構，每一個(gè)case對應一個(gè)命令碼，做出一些相應的操作。怎么實(shí)現這些操作，這是每一個(gè)程序員自己的事情，因為設備都是特定的，這里也沒(méi)法說(shuō)。關(guān)鍵在于怎么樣組織命令碼，因為在ioctl中命令碼是唯一聯(lián)系用戶(hù)程序命令和驅動(dòng)程序支持的途徑。
　　
　　命令碼的組織是有一些講究的，因為我們一定要做到命令和設備是一一對應的，這樣才不會(huì )將正確的命令發(fā)給錯誤的設備，或者是把錯誤的命令發(fā)給正確的設備，或者是把錯誤的命令發(fā)給錯誤的設備。這些錯誤都會(huì )導致不可預料的事情發(fā)生，而當程序員發(fā)現了這些奇怪的事情的時(shí)候，再來(lái)調試程序查找錯誤，那將是非常困難的事情。所以在Linux核心中是這樣定義一個(gè)命令碼的：
　　____________________________________
　　| 設備類(lèi)型 | 序列號 | 方向 |數據尺寸|
　　|----------|--------|------|--------|
　　| 8 bit　　|　8 bit |2 bit |8~14 bit|
　　|----------|--------|------|--------|
　　
　　這樣一來(lái)，一個(gè)命令就變成了一個(gè)整數形式的命令碼。但是命令碼非常的不直觀(guān)，所以L(fǎng)inux Kernel中提供了一些宏，這些宏可根據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(hù)可以理解的字符串以標明這個(gè)命令對應的設備類(lèi)型、設備序列號、數據傳送方向和數據傳輸尺寸。
　　
　　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(shuō)一個(gè)地方，那就是"幻數"。
　　
　　幻數是一個(gè)字母，數據長(cháng)度也是8，所以就用一個(gè)特定的字母來(lái)標明設備類(lèi)型，這和用一個(gè)數字是一樣的，只是更加利于記憶和理解。就是這樣，再沒(méi)有更復雜的了。
　　
　　更多的說(shuō)了也沒(méi)有，讀者還是看一看源代碼吧，推薦各位閱讀《Linux 設備驅動(dòng)程序》所帶源代碼中的short一例，因為它比較短小，功能比較簡(jiǎn)單，可以看明白ioctl的功能和細節。
　　
　　四、 cmd參數如何得出
　　這里確實(shí)要說(shuō)一說(shuō)，cmd參數在用戶(hù)程序端由一些宏根據設備類(lèi)型、序列號、傳送方向、數據尺寸等生成，這個(gè)整數通過(guò)系統調用傳遞到內核中的驅動(dòng)程序，再由驅動(dòng)程序使用解碼宏從這個(gè)整數中得到設備的類(lèi)型、序列號、傳送方向、數據尺寸等信息，然后通過(guò)switch{case}結構進(jìn)行相應的操作。
　　
　　要透徹理解，只能是通過(guò)閱讀源代碼，我這篇文章實(shí)際上只是一個(gè)引子。Cmd參數的組織還是比較復雜的，我認為要搞熟它還是得花不少時(shí)間的，但是這是值得的，驅動(dòng)程序中最難的是對中斷的理解。
　　
　　五、 小結
　　ioctl其實(shí)沒(méi)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(hù)程序里生成并在驅動(dòng)程序里解析的，程序員最主要的工作量在switch{case}結構中，因為對設備的I/O控制都是通過(guò)這一部分的代碼實(shí)現的。