你知道引用linux ioctl函數(shù)？

?我這里說的ioctl函數(shù)是指驅(qū)動程序里的，因為我不知道還有沒有別的場合用到了它，所以就規(guī)定了我們討論的范圍。寫這篇文章是因為我前一陣子被ioctl給搞混了，這幾天才弄明白它，于是在這里清理一下頭腦。
一、什么是ioctl
??? ioctl是設備驅(qū)動程序中對設備的I/O通道進行管理的函數(shù)。所謂對I/O通道進行管理，就是對設備的一些特性進行控制，例如串口的傳輸波特率、馬達的轉(zhuǎn)速等等。它的調(diào)用個數(shù)如下：

int ioctl(int fd, ind cmd, …)；
??? 其中fd是用戶程序打開設備時使用open函數(shù)返回的文件標示符，cmd是用戶程序?qū)υO備的控制命令，至于后面的省略號，那是一些補充參數(shù)，一般最多一個，這個參數(shù)的有無和cmd的意義相關(guān)。
??? 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)來控制設備的I/O通道。

二、 ioctl的必要性
??? 如果不用ioctl的話，也可以實現(xiàn)對設備I/O通道的控制，但那是蠻擰了。例如，我們可以在驅(qū)動程序中實現(xiàn)write的時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來實現(xiàn)控制的功能。要記住，用戶程序所作的只是通過命令碼(cmd)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現(xiàn)這些命令，這都是驅(qū)動程序要做的事情。

三、 ioctl如何實現(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，不過如果讀者對用戶程序是怎么和驅(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實現(xiàn)聯(lián)系在一起的了。我這里說一個大概思路，因為我覺得《Linux設備驅(qū)動程序》這本書已經(jīng)說的非常清楚了，但是得花一些時間來看。
??? 在驅(qū)動程序中實現(xiàn)的ioctl函數(shù)體內(nèi)，實際上是有一個switch{case}結(jié)構(gòu)，每一個case對應一個命令碼，做出一些相應的操作。怎么實現(xiàn)這些操作，這是每一個程序員自己的事情。因為設備都是特定的，這里也沒法說。關(guān)鍵在于怎樣組織命令碼，因為在ioctl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，因為我們一定要做到命令和設備是一一對應的，這樣才不會將正確的命令發(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。這些錯誤都會導致不可預料的事情發(fā)生，而當程序員發(fā)現(xiàn)了這些奇怪的事情的時候，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明這個命令對應的設備類型、設備序列號、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核心源代碼中的宏，文件里給這些宏做了完整的定義。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，用一個特定的字母來標明設備類型，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，再沒有更復雜的了。更多的說了也沒用，讀者還是看一看源代碼吧，推薦各位閱讀《Linux 設備驅(qū)動程序》所帶源代碼中的short一例，因為它比較短小，功能比較簡單，可以看明白ioctl的功能和細節(jié)。

四、 cmd參數(shù)如何得出
??? 這里確實要說一說，cmd參數(shù)在用戶程序端由一些宏根據(jù)設備類型、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)進行相應的操作。要透徹理解，只能是通過閱讀源代碼，我這篇文章實際上只是一個引子。cmd參數(shù)的組織還是比較復雜的，我認為要搞熟它還是得花不少時間的，但是這是值得的，因為驅(qū)動程序中最難的是對中斷的理解。

五、小結(jié)
??? ioctl其實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，因為對設備的I/O控制都是通過這一部分的代碼實現(xiàn)的。

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??? 一般的說，用戶空間的IOCTL系統(tǒng)調(diào)用如下所示：ioctl(int fd, int command, (char *) argstruct);? 因為這個調(diào)用擁有與網(wǎng)絡相關(guān)的代碼，所以文件描述符號fd就是socket()系統(tǒng)調(diào)用所返回的，而command參數(shù)可以是/usr/include/linux/sockios.h 頭文件中的任何一個。這些命令根據(jù)它可以解決的問題所涉及的方面而被分為多種類型。比如：

? 改變路由表（SIOCADDRT, SIOCDELRT）

? 讀取或更新ARP/RARP緩存（SIOCDARP, SIOCSRARP）

? 一般的和網(wǎng)絡有關(guān)的函數(shù)（SIOCGIFNAME, SIOCSIFADDR等等）

??? Goodies目錄中包含了很多展示ioctl用法的示例程序，看這些程序的時候，注意根據(jù)ioctl的命令類型來使用具體的調(diào)用參數(shù)結(jié)構(gòu)，比如：和路由表相關(guān)的IOCTL用RTENTRY結(jié)構(gòu)，rtentry結(jié)構(gòu)是被定義在/usr/include/linux/route.h文件中的，和ARP相關(guān)的ioctl調(diào)用到的arpreq結(jié)構(gòu)被定義在/usr/include/linux/if_arp.h文件之中。網(wǎng)絡接口相關(guān)的ioctl命令最具有代表性的特征的是都以S或G開頭，其實就是設置或得到數(shù)據(jù)，getifinfo.c程序用這些命令去讀取IP地址信息，硬件地址信息，廣播地址信息和與網(wǎng)絡接口相關(guān)的標志。對于這些ioctl，第三個參數(shù)是一個IFREQ結(jié)構(gòu)體，這個結(jié)構(gòu)體被定義在/usr/include/linux/if.h頭文件中。在一些情況下，新的ioctl命令可能會被使用 (除了在那個頭文件中被定義的除外），比如 WAVELAN無線網(wǎng)卡保持著無線信號強度的信息，這些信息可能會對用戶程序有用。用戶程序是怎么訪問到這些信息的呢？我們的第一反應就是在sockios.h頭文件中定義一個新的命令，比如SIOCGIFWVLNSS，但不幸的是，這個命令在其他的網(wǎng)絡接口上是沒有任何意義的。另外試圖在其他接口上用這個命令而并非是在無線網(wǎng)口上用會出現(xiàn)違規(guī)訪問，我們需要的是定義新特性接口命令的機理。幸運的是，LINUX操作系統(tǒng)為此目的而內(nèi)置了鉤子，如果你再看一下sockios.h這個頭文件，你會注意到每一個設備都有一個預定義的SIOCDEVPRIVATE命令，實現(xiàn)它的任務就全權(quán)交給了寫這個設備驅(qū)動的程序員了。根據(jù)常規(guī)約定，一個用戶程序調(diào)用一個特定的ioctl命令如下：ioctl(sockid, SIOCDEVPRIVATE, (char *) &ifr); 這里ifr是一個ifreq結(jié)構(gòu)體變量，它用一個和這個設備聯(lián)系的接口名稱來填充ifr的ifr NAME域，比如前述的無線網(wǎng)卡接口名稱為eth1。

??? 不失一般性，一個用戶程序?qū)⑼瑯右c內(nèi)核交換命令參數(shù)和操作結(jié)果，而這些已經(jīng)通過了對域ifr.ifr_data的填充而做到了。比如這個網(wǎng)卡的信號強度信息被返回到這個域當中。LINUX源代碼已經(jīng)包含了兩個特殊設備：de4x5和ewrk3，他們定義和實現(xiàn)了特殊的ioctl命令。這些設備的源代碼在以下的文件中：de4x5.h, de4x5.c, ewrk3.h, ewrk3.c。兩個設備都為在用戶空間和驅(qū)動間交換數(shù)據(jù)定義了他們自己的私有結(jié)構(gòu)，在ioctl之前，用戶程序需填充需要的數(shù)據(jù)并且將ifr.ifr_data指向這個結(jié)構(gòu)體。

??? 在進入代碼前，讓我們跟蹤一下處理ioctl系統(tǒng)調(diào)用的若干步驟。所有接口類型的ioctl請求都導致dev_ioctl()被調(diào)用，這個ioctl僅僅是個包裝，大部分的真實的操作留給了dev_ifsioc()，這個dev_ioctl()要做的唯一一件事情就是檢查調(diào)用過程是否擁有合適的許可去核發(fā)這個命令，然后dev_ifsioc()首先要做的事情之一就是得到和名字域ifr.ifr_name中所對應的設備結(jié)構(gòu)，這在一個很大的switch語塊的代碼后實現(xiàn)。

??? SIOCDEVPRIVATE命令和SIOCDEVPRIVATE+15的命令參數(shù)全部交給了默認操作，這些都是switch的分支語句。這里發(fā)生的是，內(nèi)核檢查是否一個設備特殊的ioctl的回調(diào)已經(jīng)在設備結(jié)構(gòu)中被設置，這個回調(diào)是保持在設備結(jié)構(gòu)中的一個函數(shù)指針。如果回調(diào)已經(jīng)被設置了，內(nèi)核就會調(diào)用它。

??? 所以，為了實現(xiàn)一個特殊的ioctl，需要做的就是寫一個特殊ioctl的回調(diào)，然后讓device結(jié)構(gòu)中的do_ioctl域指向它。對于EWK3設備，這個函數(shù)叫做ewrk3_ioctl()，對應的設備結(jié)構(gòu)在ewrk3_init()中被初始化，ewrk3_ioctl()的代碼清晰的展示了ifr.ifr_data的作用，是為了在用戶程序和驅(qū)動之間交換信息。注意，內(nèi)存的這個區(qū)域有雙方向交換數(shù)據(jù)的作用，例如，在ewrk3驅(qū)動代碼中ifr.ifr_data最初的2個字節(jié)被用做向驅(qū)動傳遞預想要的動作。同樣第五個字節(jié)指向的緩沖區(qū)用于交換其他的信息。

??? 當你瀏覽ewrk3_ioctl()代碼的時候，記住在一個應用中用戶空間的指令是無法訪問內(nèi)核空間的，由于這個原因，內(nèi)核給驅(qū)動編寫人員提供了2個特殊的步驟。他們是memcpy_tofs()和memcpy_fromfs()。內(nèi)核里的做法是用memcpy_tofs() 拷貝內(nèi)核數(shù)據(jù)到用戶空間，類似的memcpy_fromfs()也是這樣的，只是他拷貝用戶數(shù)據(jù)到內(nèi)核空間。這些程序步驟是由于調(diào)用verify_area()而被執(zhí)行的，目的是確認數(shù)據(jù)訪問不會違法。同樣需要記住printk()的用法是打印調(diào)試信息，這個函數(shù)和printf()很相像，但是它不能處理浮點數(shù)據(jù)。printf()函數(shù)在內(nèi)核中是不能被使用的。由printk()產(chǎn)生的輸出被轉(zhuǎn)儲到了一個目錄./usr/adm/messages。

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linux系統(tǒng)ioctl使用示例
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程序1：檢測接口的inet_addr, netmask, broad_addr
程序2：檢查接口的物理連接是否正常
程序3：測試物理連接
程序4：調(diào)節(jié)音量

***************************程序1****************************************
#include
#include
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#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

static void usage()
{
?? printf("usage : ipconfig interface \n");
?? exit(0);
}

int main(int argc,char **argv)
{
?? struct sockaddr_in *addr;
?? struct ifreq ifr;
?? char *name,*address;
?? int sockfd;

?? if(argc != 2)? usage();
??? else? name = argv[1];

?? sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
?? strncpy(ifr.ifr_name,name,IFNAMSIZ-1);

?? if(ioctl(sockfd,SIOCGIFADDR,&ifr) == -1)
????? perror("ioctl error"),exit(1);

?? addr = (struct sockaddr_in *)&(ifr.ifr_addr);
?? address = inet_ntoa(addr->sin_addr);
?? printf("inet addr: %s ",address);

?? if(ioctl(sockfd,SIOCGIFBRDADDR,&ifr) == -1)
????? perror("ioctl error"),exit(1);

?? addr = (struct sockaddr_in *)&ifr.ifr_broadaddr;
?? address = inet_ntoa(addr->sin_addr);
?? printf("broad addr: %s ",address);

?? if(ioctl(sockfd,SIOCGIFNETMASK,&ifr) == -1)
????? perror("ioctl error"),exit(1);
?? addr = (struct sockaddr_in *)&ifr.ifr_addr;
?? address = inet_ntoa(addr->sin_addr);
?? printf("inet mask: %s ",address);

?? printf("\n");
?? exit(0);
}

******************************** 程序2*****************************************************
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
typedef unsigned short u16;
typedef unsigned int u32;
typedef unsigned char u8;
#include
#include

int detect_mii(int skfd, char *ifname)
{
?? struct ifreq ifr;
?? u16 *data, mii_val;
?? unsigned phy_id;

?? /* Get the vitals from the interface. */
?? strncpy(ifr.ifr_name, ifname, IFNAMSIZ);

?? if (ioctl(skfd, SIOCGMIIPHY, &ifr) < 0)
????? {
???????? fprintf(stderr, "SIOCGMIIPHY on %s failed: %s\n", ifname, strerror(errno));
???????? (void) close(skfd);
???????? return 2;
????? }

?? data = (u16 *)(&ifr.ifr_data);
?? phy_id = data[0];
?? data[1] = 1;

?? if (ioctl(skfd, SIOCGMIIREG, &ifr) < 0)
???? {
??????? fprintf(stderr, "SIOCGMIIREG on %s failed: %s\n", ifr.ifr_name, strerror(errno));
??????? return 2;
???? }

?? mii_val = data[3];
?? return(((mii_val & 0x0016) == 0x0004) ? 0 : 1);
}

int detect_ethtool(int skfd, char *ifname)
{
?? struct ifreq ifr;
?? struct ethtool_value edata;
?? memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
?? edata.cmd = ETHTOOL_GLINK;

?? strncpy(ifr.ifr_name, ifname, sizeof(ifr.ifr_name)-1);
?? ifr.ifr_data = (char *) &edata;

?? if (ioctl(skfd, SIOCETHTOOL, &ifr) == -1)
???? {
??????? printf("ETHTOOL_GLINK failed: %s\n", strerror(errno));
??????? return 2;
???? }

?? return (edata.data ? 0 : 1);
}

int main(int argc, char **argv)
{
?? int skfd = -1;
?? char *ifname;
?? int retval;

?? if( argv[1] )? ifname = argv[1];
???? else? ifname = "eth0";

?? /* Open a socket. */
?? if (( skfd = socket( AF_INET, SOCK_DGRAM, 0 ) ) < 0 )
????? {
???????? printf("socket error\n");
???????? exit(-1);
????? }

?? retval = detect_ethtool(skfd, ifname);
?? if (retval == 2)
???? retval = detect_mii(skfd, ifname);

?? close(skfd);

?? if (retval == 2)
???? printf("Could not determine status\n");
?? if (retval == 1)
???? printf("Link down\n");
?? if (retval == 0)
???? printf("Link up\n");

?? return retval;
}

*******************************程序3*****************************************************
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include

#define LINKTEST_GLINK 0x0000000a

struct linktest_value {
??????? unsigned int??? cmd;
??????? unsigned int??? data;
};

static void usage(const char * pname)
{
?? fprintf(stderr, "usage: %s \n", pname);
?? fprintf(stderr, "returns: \n");
?? fprintf(stderr, "\t 0: link detected\n");
?? fprintf(stderr, "\t%d: %s\n", ENODEV, strerror(ENODEV));
?? fprintf(stderr, "\t%d: %s\n", ENONET, strerror(ENONET));
?? fprintf(stderr, "\t%d: %s\n", EOPNOTSUPP, strerror(EOPNOTSUPP));
?? exit(EXIT_FAILURE);
}

static int linktest(const char * devname)
{
?? struct ifreq ifr;
?? struct linktest_value edata;
?? int fd;

?? /* setup our control structures. */
?? memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
?? strcpy(ifr.ifr_name, devname);

?? /* open control socket. */
?? fd=socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
?? if(fd < 0 )
???? return -ECOMM;

?? errno=0;
?? edata.cmd = LINKTEST_GLINK;
?? ifr.ifr_data = (caddr_t)&edata;

?? if(!ioctl(fd, SIOCETHTOOL, &ifr))
????? {
??????? if(edata.data)
????????? {
??????????? fprintf(stdout, "link detected on %s\n", devname);
??????????? return 0;
????????? } else
???????????? {
?????????????? errno=ENONET;
????????????? }
???? }

?? perror("linktest");
?? return errno;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
?? if(argc != 2)
????? {
???????? usage(argv[0]);
????? }
?? return linktest(argv[1]);
}

*************************************程序4*********************************************************
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define? BASE_VALUE 257

int main(int argc,char *argv[])
{
?? int mixer_fd=0;
?? char *names[SOUND_MIXER_NRDEVICES]=SOUND_DEVICE_LABELS;
?? int value,i;

?? printf("\nusage:%s dev_no.[0..24] value[0..100]\n\n",argv[0]);
?? printf("eg. %s 0 100\n",argv[0]);
?? printf("will change the volume to MAX volume.\n\n");
?? printf("The dev_no. are as below:\n");

?? for (i=0;i
???? {
??????? if (i%3==0) printf("\n");
??????? printf("%s:%d\t\t",names[i],i);
???? }

?? printf("\n\n");

?? if (argc<3)? exit(1);

?? if ((mixer_fd = open("/dev/mixer",O_RDWR)))
???? {
???????? printf("Mixer opened successfully,working...\n");
???????? value=BASE_VALUE*atoi(argv[2]);

???????? if (ioctl(mixer_fd,MIXER_WRITE(atoi(argv[1])),&value)==0)
??????????? printf("successfully.....");
???????? else
??????????? printf("unsuccessfully.....");
??????
???????? printf("done.\n");
???? }
?? else
????? printf("can't open /dev/mixer error....\n");

exit(0);
}

?