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2013年(2)

分类: 嵌入式

2013-03-01 17:52:33


    这是自己在参加凌阳嵌入式培训时,学习完关于构造IOCTL命令时写的一篇学习心得,和大家分享一下,希望大家一起进步。

  在编写ioctl代码之前,需要选择对应不同命令的编号。为了防止对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,这种错误匹配并不是不会发生,程序可能发现自己正在试图对FIFO和audio等这类非串行设备输入流修改波特率,如果每一个ioctl命令都是唯一的,应用程序进行这种操作时就会得到一个EINVAL错误,而不是无意间成功地完成了意想不到的操作。

  要按Linux内核的约定方法为驱动程序选择ioctl编号,应该首先看看include/asm/ioctl.h和Doucumention/ioctl-number.txt这两个文件。头文件定义了要使用的位字段:类型(幻数)、序数、传送方向以及参数大小等。ioctl-number.txt文件中罗列了内核所使用的幻数,选择自己的幻数要避免和内核冲突。以下是对include/asm/ioctl.h中定义的宏的注释:

  #define         _IOC_NRBITS          8                               //序数(number)字段的字位宽度,8bits

  #define         _IOC_TYPEBITS      8                               //幻数(type)字段的字位宽度,8bits

  #define         _IOC_SIZEBITS       14                              //大小(size)字段的字位宽度,14bits

  #define         _IOC_DIRBITS         2                               //方向(direction)字段的字位宽度,2bits

  #define         _IOC_NRMASK        ((1 << _IOC_NRBITS)-1)    //序数字段的掩码,0x000000FF

  #define         _IOC_TYPEMASK   ((1 << _IOC_TYPEBITS)-1)  //幻数字段的掩码,0x000000FF

  #define         _IOC_SIZEMASK     ((1 << _IOC_SIZEBITS)-1)   //大小字段的掩码,0x00003FFF

  #define         _IOC_DIRMASK      ((1 << _IOC_DIRBITS)-1)    //方向字段的掩码,0x00000003

  #define        _IOC_NRSHIFT       0                                                         //序数字段在整个字段中的位移,0

  #define        _IOC_TYPESHIFT   (_IOC_NRSHIFT+_IOC_NRBITS)         //幻数字段的位移,8

  #define        _IOC_SIZESHIFT    (_IOC_TYPESHIFT+_IOC_TYPEBITS)  //大小字段的位移,16

  #define        _IOC_DIRSHIFT      (_IOC_SIZESHIFT+_IOC_SIZEBITS)    //方向字段的位移,30

  /*

  * Direction bits.

  */

  #define _IOC_NONE     0U     //没有数据传输

  #define _IOC_WRITE   1U     //向设备写入数据,驱动程序必须从用户空间读入数据

  #define _IOC_READ     2U     //从设备中读取数据,驱动程序必须向用户空间写入数据

  /*

  *_IOC 宏将dir,type,nr,size四个参数组合成一个cmd参数,如下图:

  *

  */

  #define _IOC(dir,type,nr,size) \

  (((dir)  << _IOC_DIRSHIFT) | \

  ((type) << _IOC_TYPESHIFT) | \

  ((nr)   << _IOC_NRSHIFT) | \

  ((size) << _IOC_SIZESHIFT))

  /*

  * used to create numbers

  */

  //构造无参数的命令编号

  #define _IO(type,nr)             _IOC(_IOC_NONE,(type),(nr),0)

  //构造从驱动程序中读取数据的命令编号

  #define _IOR(type,nr,size)     _IOC(_IOC_READ,(type),(nr),sizeof(size))

  //用于向驱动程序写入数据命令

  #define _IOW(type,nr,size)    _IOC(_IOC_WRITE,(type),(nr),sizeof(size))

  //用于双向传输

  #define _IOWR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE,(type),(nr),sizeof(size))

  /*

  *used to decode ioctl numbers..

  */

  //从命令参数中解析出数据方向,即写进还是读出

  #define _IOC_DIR(nr)          (((nr) >> _IOC_DIRSHIFT) & _IOC_DIRMASK)

  //从命令参数中解析出幻数type

  #define _IOC_TYPE(nr)              (((nr) >> _IOC_TYPESHIFT) & _IOC_TYPEMASK)

  //从命令参数中解析出序数number

  #define _IOC_NR(nr)           (((nr) >> _IOC_NRSHIFT) & _IOC_NRMASK)

  //从命令参数中解析出用户数据大小

  #define _IOC_SIZE(nr)         (((nr) >> _IOC_SIZESHIFT) & _IOC_SIZEMASK)

  /* ...and for the drivers/sound files... */

  #define IOC_IN            (_IOC_WRITE << _IOC_DIRSHIFT)

  #define IOC_OUT         (_IOC_READ << _IOC_DIRSHIFT)

  #define IOC_INOUT     ((_IOC_WRITE|_IOC_READ) << _IOC_DIRSHIFT)

  #define IOCSIZE_MASK      (_IOC_SIZEMASK << _IOC_SIZESHIFT)

  #define IOCSIZE_SHIFT      (_IOC_SIZESHIFT)

  以上内容转自:article.phpfans.net/

  我的理解:

  假如我定义了一个命令MY_CMD:

  #define MY_CMD_MAGIC 0xdf              //type字段,由于字段宽度为8 bits,所以不能大于0xff

  #define MY_CMD  _IOW(MY_CMD_MAGIC,0,unsigned int)

  于是有命令MY_CMD各组成字段(dir,size,type,nr)分别为:01(=_IOC_WRITE),00 0000 0000 0100(=sizeof(unsigned int)),1101 1111(=MY_CMD_MAGIC),0000 0000(=0)。用十六进制表示即0x4004df00。这个32 bits的“整数“就是该命令的编号(LDD3原文是command number),也就是命令MY_CMD在系统中的“身份证号码”了!

  为什么上面我用“身份证号码”作比喻呢?众所周知,一个国家里所有公民的身份证号都是各不相同的。身份证编号有一定的规则:即把身份证号划分成几个字段,各段位 数可不等,每个字段编码都有它的实际意义,例如我们现在用的的身份证前N位(不记得具体是多少了)表示一个具体的省、市、等地区,不同地区的人该字段肯定 不同了;另外有个表示出生年月的字段(据说以前整个号码最后一位偶数表示男性,奇数表示女性,现在貌似没这个规则了,此为题外话)。

  类似地,我们要为系统里所有的IOCTL命令编号。我们身份证用的是15(上一代是18位)位十进制数编码(最后一位可能是拉丁字母);我们用32位二进 制数为IOCTL命令编码,把它划分成4个字段,每段也有它的实际意义。要保证每个命令编号为系统唯一,主要靠命令的type和nr字段。我们称type 字段内容为magic number,即幻数,它表示命令的类型。

  看到上段红色这句话,我想可能有细心的人会问:“那么命令到底有哪些类型呢?”老实说我也不知道正确答案。大概因为大家都知道基本数据类型有整形、浮点型、字符型...人的性格类型有外向型、内向型...这些我们常见的类型都是可以用文字来枚举描述的,所以潜意识就觉得有类型就应该有文字可描述吧。回到正题,我想每个magic number,就像上面的宏定义中:#define MY_CMD_MAGIC 0xdf,MY_CMD_MAGIC就是类型名了吧!不知道我的想法对不对?!反正大家知道一个magic number就对应唯一一种命令类型就是了。LDD原文中有一段:

  type

  The magic number. Just choose one number (after consulting ioctl-number.txt)

  and use it throughout the driver. This field is eight bits wide (_IOC_TYPEBITS).

  原文是说type的内容叫幻数(magic number),强调它是一个8位二进制数(number)。

  因此不同type的命令就有不同的magic number,因此命令编码自然就不同了。但如果两个命令type相同,它们的magic number就相同,于是就不能仅靠type字段区分了。于是nr字段就起作用了:

  number

  The ordinal (sequential) number. It’s eight bits (_IOC_NRBITS) wide.

  nr(number)即序号,一般地我们从0开始编号。由于nr字段为8位二进制数,所以nr的取值范围为0~255。同一种type的命令每个nr值对应唯一一个命令。

  其他两个字段在这里不作深究。

  值得一提的是LDD3里这么一段话:

  The header also defines macros that may be used in your driver to decode the num-

  bers: _IOC_DIR(nr), _IOC_TYPE(nr), _IOC_NR(nr), and _IOC_SIZE(nr). We won’t go

  into any more detail about these macros because the header file is clear, and sample

  code is shown later in this section.

  根据ioctl.h文件的定义,很明显_IOC_DIR(nr), _IOC_TYPE(nr), _IOC_NR(nr),_IOC_SIZE(nr)这几个宏里面的参数就是一个IOCTL命令,即一个32位的二进制数,而文件中参数居然用nr表示! 当然用nr表示不是逻辑上的错误。但是别忘了文件中还有_IOW(type,nr,size)这样的定义IOCTL命令的宏,这其中的参数nr是 IOCTL命令编号中的一个nr字段,一个8位的二进制数!我想很多新人都会对此产生莫大的疑惑!所以我认为把_IOC_DIR(nr), _IOC_TYPE(nr), _IOC_NR(nr),_IOC_SIZE(nr)这几个解码宏的参数改用cmd表示更恰当!

  但是,我知道这不是LDD3作者的错,因为内核头文件里面也是这么表示的。我想内核开发者不可能没意识到这个问题。因此,我猜测这其中肯定有个历史原因: 大概以前版本的命令不管type是否一样,nr字段的值都是唯一的,于是仅靠nr字段就可以解码出一个IOCTL命令的其他字段吧?!但即使这样 _IOC_DIR(nr), _IOC_TYPE(nr), _IOC_NR(nr),_IOC_SIZE(nr)也没必要保留这种写法啊!到底谁可以告诉我真相?

  LDD3没有对_IOC_DIR(nr), _IOC_TYPE(nr), _IOC_NR(nr),_IOC_SIZE(nr)里面的nr作任何解释,只是实例中有如下用法:

  if (_IOC_TYPE(cmd) != SCULL_IOC_MAGIC) return -ENOTTY;

  if (_IOC_NR(cmd) > SCULL_IOC_MAXNR) return -ENOTTY;

  可见那个nr参数完全就是我所说的32位的IOCTL命令编码。靠,既然这样好歹也对着个confusion作一下简单的解释啊!如果LDD3一书那“既 不承认,也不否认”的暧昧态度让我真让我哭笑不得的话,那么国内某书(具体哪本我就不说了)简直令我抓狂,我摘书中的两段话如下:

  _IO(type,nr):定义一个没有数据传输的命令编号。type为幻数,nr为命令编号。...

  ...

  _IOC_DIR(nr): 获得命令编号的命令传输方向(direction)。这个宏的参数就是命令编号。

 

 

 

 

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