Linux设备驱动程序学习（4）-高级字符驱动程序操作［（1）ioctl and llseek］

今天进入《Linux设备驱动程序（第3版）》第六章高级字符驱动程序操作的学习。

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一、ioctl

大部分设备除了读写能力，还可进行超出简单的数据传输之外的操作，所以设备驱动也必须具备进行各种硬件控制操作的能力. 这些操作常常通过 ioctl 方法来支持，它有和用户空间版本不同的原型:

int (*ioctl) (struct inode *inode, struct file *filp,
              unsigned int cmd, unsigned long arg);

需要注意的是：不管可选的参数arg是否由用户给定为一个整数或一个指针，它都以一个 unsigned long的形式传递。如果调用程序不传递arg参数, 被驱动收到的 arg 值是未定义的。因为在arg参数上的类型检查被关闭了,所以若一个非法参数传递给 ioctl，编译器是无法报警的，且任何关联的错误难以查找.

选择ioctl命令

为了防止向错误的设备使用正确的命令，命令号应该在系统范围内唯一。为方便程序员创建唯一的 ioctl 命令代号， 每个命令号被划分为多个位字段。要按 Linux 内核的约定方法为驱动选择 ioctl 的命令号, 应该首先看看 include/asm/ioctl.h 和 Documentation/ioctl-number.txt。 要使用的位字段符号定义在 :

type(幻数)：8 位宽(_IOC_TYPEBITS)，参考ioctl-number.txt选择一个数，并在整个驱动中使用它。

number（序数）：顺序编号，8 位宽(_IOC_NRBITS)。

direction（数据传送的方向）：可 能的值是 _IOC_NONE(没有数据传输)、_IOC_READ、 _IOC_WRITE和 _IOC_READ|_IOC_WRITE (双向传输数据)。该字段是一个位掩码（两位）, 因此可使用 AND 操作来抽取_IOC_READ 和 _IOC_WRITE。

size（数据的大小）：宽度与体系结构有关,ARM为14位.可在宏 _IOC_SIZEBITS 中找到特定体系的值. 

  中包含的 定义了一些构造命令编号的宏:

_IO(type,nr)/*没有参数的命令*/
_IOR(type, nr, datatype)/*从驱动中读数据*/
_IOW(type,nr,datatype)/*写数据*/
_IOWR(type,nr,datatype)/*双向传送*/
/*type 和 number 成员作为参数被传递, 并且 size 成员通过应用 sizeof 到 datatype 参数而得到*/

这个头文件还定义了用来解开这个字段的宏:

_IOC_DIR(nr)
_IOC_TYPE(nr)
_IOC_NR(nr)
_IOC_SIZE(nr)

具体的使用方法在实验中展示。

返回值

POSIX 标准规定：如果使用了不合适的 ioctl 命令号，应当返回-ENOTTY 。这个错误码被 C 库解释为"不合适的设备 ioctl。然而，它返回-EINVAL仍是相当普遍的。

预定义命令

有一些ioctl命令是由内核识别的，当这些命令用于自己的设备时，他们会在我们自己的文件操作被调用之前被解码. 因此, 如果你选择一个ioctl命令编号和系统预定义的相同时，你永远不会看到该命令的请求，而且因为ioctl 号之间的冲突，应用程序的行为将无法预测。预定义命令分为 3 类:

（1）用于任何文件(常规, 设备, FIFO和socket) 的命令

（2）只用于常规文件的命令

（3）特定于文件系统类型的命令 

下列 ioctl 命令是预定义给任何文件，包括设备特定文件：

FIOCLEX ：设置 close-on-exec 标志(File IOctl Close on EXec)。

FIONCLEX ：清除 close-no-exec 标志(File IOctl Not CLose on EXec)。

FIOQSIZE ：这个命令返回一个文件或者目录的大小; 当用作一个设备文件, 但是, 它返回一个 ENOTTY 错误。

FIONBIO："File IOctl Non-Blocking I/O"(在"阻塞和非阻塞操作"一节中描述)。 

使用ioctl参数

在使用ioctl的可选arg参数时，如果传递的是一个整数，它可以直接使用。如果是一个指针,，就必须小心。当用一个指针引用用户空间, 我们必须确保用户地址是有效的，其校验(不传送数据)由函数 access_ok 实现，定义在 :

int access_ok(int type, const void *addr, unsigned long size);

第一个参数应当是 VERIFY_READ（读）或VERIFY_WRITE（读写）；addr 参数为用户空间地址，size 为字节数，可使用sizeof()。access_ok 返回一个布尔值: 1 是成功(存取没问题)和 0 是失败(存取有问题)。如果它返回假，驱动应当返回 -EFAULT 给调用者。

注意：首先, access_ok不做校验内存存取的完整工作; 它只检查内存引用是否在这个进程有合理权限的内存范围中，且确保这个地址不指向内核空间内存。其次，大部分驱动代码不需要真正调用 access_ok，而直接使用put_user(datum, ptr)和get_user(local, ptr)，它们带有校验的功能，确保进程能够写入给定的内存地址，成功时返回 0, 并且在错误时返回 -EFAULT.。

put_user(datum, ptr)
__put_user(datum, ptr)
get_user(local, ptr)
__get_user(local, ptr)

这 些宏它们相对copy_to_user 和copy_from_user快, 并且这些宏已被编写来允许传递任何类型的指针，只要它是一个用户空间地址. 传送的数据大小依赖 prt 参数的类型, 并且在编译时使用 sizeof 和 typeof 等编译器内建宏确定。他们只传送1、2、4或8 个字节。如果使用以上函数来传送一个大小不适合的值，结果常常是一个来自编译器的奇怪消息，如"coversion to non-scalar type requested". 在这些情况中，必须使用 copy_to_user 或者 copy_from_user。

__put_user和__get_user 进行更少的检查(不调用 access_ok), 但是仍然能够失败如果被指向的内存对用户是不可写的，所以他们应只用在内存区已经用 access_ok 检查过的时候。作为通用的规则：当实现一个 read 方法时，调用 __put_user 来节省几个周期, 或者当你拷贝几个项时，因此，在第一次数据传送之前调用 access_ok 一次。

权能与受限操作

Linux 内核提供了一个更加灵活的系统, 称为权能（capability）。内核专为许可管理上使用权能并导出了两个系统调用 capget 和 capset，这样可以从用户空间管理权能，其定义在  中。对设备驱动编写者有意义的权能如下:

CAP_DAC_OVERRIDE /*越过在文件和目录上的访问限制(数据访问控制或 DAC)的能力。*/

CAP_NET_ADMIN /*进行网络管理任务的能力, 包括那些能够影响网络接口的任务*/

CAP_SYS_MODULE /*加载或去除内核模块的能力*/

CAP_SYS_RAWIO /*进行 "raw"（裸）I/O 操作的能力. 例子包括存取设备端口或者直接和 USB 设备通讯*/

CAP_SYS_ADMIN /*截获的能力, 提供对许多系统管理操作的途径*/

CAP_SYS_TTY_CONFIG /*执行 tty 配置任务的能力*/

在进行一个特权操作之前, 一个设备驱动应当检查调用进程有合适的能力,检查是通过 capable 函数来进行的(定义在 )范例如下:

if (! capable (CAP_SYS_ADMIN))
 return -EPERM;

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二、定位设备（llseek实现）

llseek是修改文件中的当前读写位置的系统调用。内核中的缺省的实现进行移位通过修改 filp->f_pos, 这是文件中的当前读写位置。对于 lseek 系统调用要正确工作，读和写方法必须通过更新它们收到的偏移量来配合。

如果设备是不允许移位的，你不能只制止声明 llseek 操作，因为缺省的方法允许移位。应当在你的 open 方法中，通过调用 nonseekable_open 通知内核你的设备不支持 llseek :

int nonseekable_open(struct inode *inode; struct file *filp);

完整起见, 你也应该在你的 file_operations 结构中设置 llseek 方法到一个特殊的帮助函数 no_llseek（定义在 ）。 具体的应用在试验程序中学习.

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三、ioctl和llseek实验。

模块程序链接：ioctl_and_llseek

模块测试程序链接：ioctl_and_llseek-test

ARM9实验板的实验现象是：

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /lib/modules/
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod scull.ko scull_nr_devs=1
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /tmp/
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#./scull_test2
open scull !
SCULL_IOCSQUANTUM-SCULL_IOCQQUANTUM : scull_quantum=10
SCULL_IOCTQUANTUM-SCULL_IOCGQUANTUM : scull_quantum=6
SCULL_IOCXQUANTUM : scull_quantum=6 --> 10
SCULL_IOCHQUANTUM : scull_quantum=10 --> 6
SCULL_IOCSQSET-SCULL_IOCQQSET : scull_qset=2
SCULL_IOCTQSET-SCULL_IOCGQSET : scull_qset=4
SCULL_IOCXQSET : scull_qset=4 --> 2
SCULL_IOCHQSET : scull_qset=2 --> 4
before reset : scull_quantum=6 scull_qset=4
close scull !
reopen scull !
reopen : scull_quantum=6 scull_qset=4
write code=6 i=20
write code=6 i=14
write code=6 i=8
write code=2
lseek scull SEEK_SET-->0 !
read code=6 i=20
read code=6 i=14
read code=6 i=8
read code=2
[0]=0 [1]=1 [2]=2 [3]=3 [4]=4
[5]=5 [6]=6 [7]=7 [8]=8 [9]=9
[10]=10 [11]=11 [12]=12 [13]=13 [14]=14
[15]=15 [16]=16 [17]=17 [18]=18 [19]=19
SCULL_IOCRESET
after reset : scull_quantum=4000 scull_qset=1000
close scull !
reopen scull !
write code=20
lseek scull SEEK_CUR-10-->10 !
read code=10
[0]=10 [1]=11 [2]=12 [3]=13 [4]=14
[5]=15 [6]=16 [7]=17 [8]=18 [9]=19
lseek scull SEEK_END-20-->0 !
read code=20
[0]=0 [1]=1 [2]=2 [3]=3 [4]=4
[5]=5 [6]=6 [7]=7 [8]=8 [9]=9
[10]=10 [11]=11 [12]=12 [13]=13 [14]=14
[15]=15 [16]=16 [17]=17 [18]=18 [19]=19
close scull !

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cat /proc/scullseq

Device 0: qset 1000, q 4000, sz 20
  item at c3dd3d74, qset at c3f54000
       0: c3e71000
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#