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设备驱动IO控制

15 min read

操作GPIO：寄存器⇒GPIO函数 GPIO逻辑判断：应用层⇒write⇒copy_from_user⇒kbuf[0]

设备驱动IO控制原理

  • 在内核3.0 以前，ioctl接口的名字叫ioctl;内核3.0以后，ioctl接口的名字叫unlocked_ioctl。
  • unlocked_ioctl就是ioctl接口，功能和对应的系统调用均没有发生变化。

unlocked_ioctl

unlocked_ioctl和read/write函数有什么异同呢？

  • 相同点：都可以往内核写数据。
  • 不同点：read函数只能完成读的功能，write只能完成写的功能。读取大数据的时候效率高。ioctl既可以读也可以写，读取大数据的时候效率不高。

ioctl函数的任务是对工作参数进行设置和查询，write和read函数专注于数据传输。

cmd

在驱动程序里，ioctl()函数上传送的变量cmd是应用程序用于区别设备驱动程序请求处理内容的值。

  • cmd除了可区别数字外，还包含有助于处理的几种相应信息。cmd的大小为32位，共分4个域。
  • 0-7：命令的编号，范围是0-255。
  • 8-15：命令的幻数。
  • 16-29：表示传递的数据大小。
  • 30-31：代表读写的方向。
  • 00：表示用户程序和驱动程序无数据传递
  • 10：表示用户程序从驱动里面读数据
  • 01：表示用户程序向驱动里面写数据
  • 11：先写数据到驱动里面然后在从驱动里面把数据读出来。

合成宏

  • _IO(type,nr) ：没有数据传递的命令
  • _IOR(type,nr,size) ：定义从驱动中读取数据的命令
  • _IOW(type,nr,size) ：定义向驱动写入数据的命令
  • _IOWR(type,nr,size) ：定义数据交换类型的命令，先写入数据，再读取数据这类命令。

参数说明：

  • type：表示命令组成的模式，也就是8~15位
  • nr：表示命令组成的编号，也就是0~7位
  • size：表示命令组成的参数传递大小，即传递的数据类型，如要传递4字节，就可以写成int。

分解宏

  • _IOC_DIR(nr) ：分解命令的方向，30~31位的值
  • _IOC_TYPE(nr) ：分解命令的魔数，8~15位的值
  • _IOC_NR(nr) ：分解命令的编号，0~7位的值
  • _IOC_SIZE(nr) ：分解命令的复制数据大小，16~29位的值

参数说明：

  • nr ：要分解的命令

验证程序

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#define CMD_TEST0 _IO('L', 0)
#define CMD_TEST1 _IO('A', 1)
#define CMD_TEST2 _IOW('L', 2, int)
#define CMD_TEST3 _IOR('L', 3, int)
 
int main(int argc, char *argv[])
{
    printf("30-31 is %d \n", _IOC_DIR(CMD_TEST0));
    printf("30-31 is %d \n", _IOC_DIR(CMD_TEST3));
 
    printf("7-15 is %c \n", _IOC_TYPE(CMD_TEST0));
    printf("7-15 is %c \n", _IOC_TYPE(CMD_TEST1));
 
    printf("0-7 is %d \n", _IOC_NR(CMD_TEST2));
}
  • 法一：使用分解宏将它分解
  • 法二：搭配switch使用

编写测试

不传递数据

//初始化头文件
#include <linux/init.h>
//最基本的文件，支持动态添加和卸载模块。
#include <linux/module.h>
//包含了miscdevice结构的定义及相关的操作函数。
#include <linux/miscdevice.h>
//文件系统头文件，定义文件表结构（file,buffer_head,m_inode等）
#include <linux/fs.h>
//包含了copy_to_user、copy_from_user等内核访问用户进程内存地址的函数定义。
#include <linux/uaccess.h>
//包含了ioremap、iowrite等内核访问IO内存等函数的定义。
#include <linux/io.h>
//驱动要写入内核，与内核相关的头文件
#include <linux/kernel.h>
 
#define CMD_TEST1 _IO('A', 1)
#define CMD_TEST0 _IO('L', 0)
 
ssize_t misc_read(struct file *file, char __user *ubuf, size_t size, loff_t *loff_t)
{
    printk("misc_read\n ");
    return 0;
}
ssize_t misc_write(struct file *file, const char __user *ubuf, size_t size, loff_t *loff_t)
{
    /*应用程序传入数据到内核空间，然后控制led的逻辑，在此添加*/
    // kbuf保存的是从应用层读取到的数据
    char kbuf[64] = {0};
    // copy_from_user 从应用层传递数据给内核层
    if (copy_from_user(kbuf, ubuf, size) != 0)
    {
        // copy_from_user 传递失败打印
        printk("copy_from_user error \n ");
        return -1;
    }
    //打印传递进内核的数据
    printk("kbuf is %d\n ", kbuf[0]);
    return 0;
}
/****************************************************************************************
 - @brief misc_release : 用户空间关闭设备节点时执行此函数
 - @param inode : 文件索引
 - @param file : 文件
 - @return ：成功返回 0
 ****************************************************************************************/
int misc_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk("hello misc_relaease bye bye \n ");
    return 0;
}
/****************************************************************************************
 - @brief misc_open : 用户空间打开设备节点时执行此函数
 - @param inode : 文件索引
 - @param file : 文件
 - @return : 成功返回 0
 ****************************************************************************************/
int misc_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk("hello misc_open\n ");
    return 0;
}
/****************************************************************************************
 - @brief misc_ioctl : 用户空间使用ioctl(int fd, unsigned long request, ...(void* arg))时
 -                      自动执行此函数，根据命令执行对应的操作
 - @param file : 设备文件
 - @param cmd : 用户空间ioctl接口命令request
 - @param value : 用户空间的arg指针，依赖于接口命令request
 - @return : 成功返回 0
 ****************************************************************************************/
long misc_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long value)
{
    printk("LED ON \n");
    switch (cmd) //根据命令进行对应的操作
    {
    case CMD_TEST0:
        printk("LED ON \n");
        break;
    case CMD_TEST1:
        printk("LED OFF \n");
        break;
    }
    return 0;
}
struct file_operations misc_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = misc_open,
    .release = misc_release,
    .read = misc_read,
    .write = misc_write,
    .unlocked_ioctl = misc_ioctl /* 64 bit system special */};
struct miscdevice misc_dev = {
    .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
    .name = "hello_misc",
    .fops = &misc_fops,
};
static int misc_init(void)
{
    int ret;
    ret = misc_register(&misc_dev);
    if (ret < 0)
    {
        printk("misc register is error \n");
    }
    printk("misc register is succeed \n");
 
    return 0;
}
static void misc_exit(void)
{
    misc_deregister(&misc_dev);
 
    printk(" misc gooodbye! \n");
}
module_init(misc_init);
module_exit(misc_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
  • 应用程序ioctrl.c 
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
 
#define CMD_TEST0 _IO('L',0)
#define CMD_TEST1 _IO('A',1)
//#define CMD_TEST2 _IOW('L',2,int)
//#define CMD_TEST3 _IOR('L',3,int)
 
int main(int argc,char *argv[])
{
    int fd;
    char buf[64] ={0};
    fd = open("/dev/hello_misc",O_RDWR);
    if(fd < 0)
    {
    perror("open error \n");
    return fd;
    }
    while(1)
    {
    ioctl(fd,CMD_TEST0);
    sleep(2);
    ioctl(fd,CMD_TEST1);
    }
 
    return 0;
}

进入共享目录，加载驱动模块以后，再运行应用程序

写数据

//初始化头文件
#include <linux/init.h>
//最基本的文件，支持动态添加和卸载模块。
#include <linux/module.h>
//包含了miscdevice结构的定义及相关的操作函数。
#include <linux/miscdevice.h>
//文件系统头文件，定义文件表结构（file,buffer_head,m_inode等）
#include <linux/fs.h>
//包含了copy_to_user、copy_from_user等内核访问用户进程内存地址的函数定义。
#include <linux/uaccess.h>
//包含了ioremap、iowrite等内核访问IO内存等函数的定义。
#include <linux/io.h>
//驱动要写入内核，与内核相关的头文件
#include <linux/kernel.h>
 
#define CMD_TEST1 _IO('A', 1)
#define CMD_TEST0 _IO('L', 0)
#define CMD_TEST2 _IOW('L', 2, int)
#define CMD_TEST3 _IOW('L', 3, int)
 
ssize_t misc_read(struct file *file, char __user *ubuf, size_t size, loff_t *loff_t)
{
    printk("misc_read\n ");
    return 0;
}
ssize_t misc_write(struct file *file, const char __user *ubuf, size_t size, loff_t *loff_t)
{
    /*应用程序传入数据到内核空间，然后控制led的逻辑，在此添加*/
    // kbuf保存的是从应用层读取到的数据
    char kbuf[64] = {0};
    // copy_from_user 从应用层传递数据给内核层
    if (copy_from_user(kbuf, ubuf, size) != 0)
    {
        // copy_from_user 传递失败打印
        printk("copy_from_user error \n ");
        return -1;
    }
    //打印传递进内核的数据
    printk("kbuf is %d\n ", kbuf[0]);
    return 0;
}
/****************************************************************************************
 - @brief misc_release : 用户空间关闭设备节点时执行此函数
 - @param inode : 文件索引
 - @param file : 文件
 - @return ：成功返回 0
 ****************************************************************************************/
int misc_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk("hello misc_relaease bye bye \n ");
    return 0;
}
/****************************************************************************************
 - @brief misc_open : 用户空间打开设备节点时执行此函数
 - @param inode : 文件索引
 - @param file : 文件
 - @return : 成功返回 0
 ****************************************************************************************/
int misc_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk("hello misc_open\n ");
    return 0;
}
/****************************************************************************************
 - @brief misc_ioctl : 用户空间使用ioctl(int fd, unsigned long request, ...(void* arg))时
 -                      自动执行此函数，根据命令执行对应的操作
 - @param file : 设备文件
 - @param cmd : 用户空间ioctl接口命令request
 - @param value : 用户空间的arg指针，依赖于接口命令request
 - @return : 成功返回 0
 ****************************************************************************************/
long misc_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long value)
{
 
    switch (cmd)//根据命令进行对应的操作
    {
    case CMD_TEST2:
        printk("LED ON \n");
        printk("value is %ld\n", value);
        break;
    case CMD_TEST3:
        printk("LED OFF \n");
        printk("value is %ld\n", value);
        break;
    }
    return 0;
}
struct file_operations misc_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = misc_open,
    .release = misc_release,
    .read = misc_read,
    .write = misc_write,
    .unlocked_ioctl = misc_ioctl };
struct miscdevice misc_dev = {
    .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
    .name = "hello_misc",
    .fops = &misc_fops,
};
static int misc_init(void)
{
    int ret;
    ret = misc_register(&misc_dev);
    if (ret < 0)
    {
        printk("misc register is error \n");
    }
    printk("misc register is succeed \n");
 
    return 0;
}
static void misc_exit(void)
{
    misc_deregister(&misc_dev);
 
    printk(" misc goodbye! \n");
}
module_init(misc_init);
module_exit(misc_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
  • 应用程序代码ioctrl.c
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
 
#define CMD_TEST0 _IO('L',0)
#define CMD_TEST1 _IO('A',1)
 
#define CMD_TEST2 _IOW('L',2,int)
#define CMD_TEST3 _IOW('L',3,int)
//#define CMD_TEST3 _IOR('L',3,int)
 
int main(int argc,char *argv[])
{
    int fd;
    char buf[64] ={0};
    fd = open("/dev/hello_misc",O_RDWR);
    if(fd < 0)
    {
    perror("open error \n");
    return fd;
    }
    while(1)
    {
    ioctl(fd,CMD_TEST2,0);
    sleep(2);
    ioctl(fd,CMD_TEST3,1);
    }
 
    return 0;
}

进入共享目录，卸载原来加载的驱动模块，然后再加载新的驱动模块以后，再运行应用程序

读数据

//初始化头文件
#include <linux/init.h>
//最基本的文件，支持动态添加和卸载模块。
#include <linux/module.h>
//包含了miscdevice结构的定义及相关的操作函数。
#include <linux/miscdevice.h>
//文件系统头文件，定义文件表结构（file,buffer_head,m_inode等）
#include <linux/fs.h>
//包含了copy_to_user、copy_from_user等内核访问用户进程内存地址的函数定义。
#include <linux/uaccess.h>
//包含了ioremap、iowrite等内核访问IO内存等函数的定义。
#include <linux/io.h>
//驱动要写入内核，与内核相关的头文件
#include <linux/kernel.h>
 
#define CMD_TEST1 _IO('A', 1)
#define CMD_TEST0 _IO('L', 0)
#define CMD_TEST2 _IOW('L', 2, int)
#define CMD_TEST3 _IOW('L', 3, int)
#define CMD_TEST4 _IOR('L', 4, int)
 
ssize_t misc_read(struct file *file, char __user *ubuf, size_t size, loff_t *loff_t)
{
    printk("misc_read\n ");
    return 0;
}
ssize_t misc_write(struct file *file, const char __user *ubuf, size_t size, loff_t *loff_t)
{
    /*应用程序传入数据到内核空间，然后控制led的逻辑，在此添加*/
    // kbuf保存的是从应用层读取到的数据
    char kbuf[64] = {0};
    // copy_from_user 从应用层传递数据给内核层
    if (copy_from_user(kbuf, ubuf, size) != 0)
    {
        // copy_from_user 传递失败打印
        printk("copy_from_user error \n ");
        return -1;
    }
    //打印传递进内核的数据
    printk("kbuf is %d\n ", kbuf[0]);
    return 0;
}
/****************************************************************************************
 - @brief misc_release : 用户空间关闭设备节点时执行此函数
 - @param inode : 文件索引
 - @param file : 文件
 - @return ：成功返回 0
 ****************************************************************************************/
int misc_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk("hello misc_relaease bye bye \n ");
    return 0;
}
/****************************************************************************************
 - @brief misc_open : 用户空间打开设备节点时执行此函数
 - @param inode : 文件索引
 - @param file : 文件
 - @return : 成功返回 0
 ****************************************************************************************/
int misc_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    printk("hello misc_open\n ");
    return 0;
}
/****************************************************************************************
 - @brief misc_ioctl : 用户空间使用ioctl(int fd, unsigned long request, ...(void* arg))时
 -                      自动执行此函数，根据命令执行对应的操作
 - @param file : 设备文件
 - @param cmd : 用户空间ioctl接口命令request
 - @param value : 用户空间的arg指针，依赖于接口命令request
 - @return : 成功返回 0
 ****************************************************************************************/
long misc_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long value)
{
    int val;
    switch (cmd)//根据命令进行对应的操作
    {
    case CMD_TEST2:
        printk("LED ON \n");
        printk("value is %ld\n", value);
        break;
    case CMD_TEST3:
        printk("LED OFF \n");
        printk("value is %ld\n", value);
        break;
    case CMD_TEST4:
        val = 12;
        if (copy_to_user((int *)value, &val, sizeof(val)) != 0)
        {
            printk("cpoy_to_usr error \n");
            return -1;
        }
        break;
    }
    return 0;
}
struct file_operations misc_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = misc_open,
    .release = misc_release,
    .read = misc_read,
    .write = misc_write,
    .unlocked_ioctl = misc_ioctl };
struct miscdevice misc_dev = {
    .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
    .name = "hello_misc",
    .fops = &misc_fops,
};
static int misc_init(void)
{
    int ret;
    ret = misc_register(&misc_dev);
    if (ret < 0)
    {
        printk("misc register is error \n");
    }
    printk("misc register is succeed \n");
 
    return 0;
}
static void misc_exit(void)
{
    misc_deregister(&misc_dev);
 
    printk(" misc gooodbye! \n");
}
module_init(misc_init);
module_exit(misc_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
  • 应用程序代码ioctl.c 
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
 
#define CMD_TEST0 _IO('L', 0)
#define CMD_TEST1 _IO('A', 1)
 
#define CMD_TEST2 _IOW('L', 2, int)
#define CMD_TEST3 _IOW('L', 3, int)
#define CMD_TEST4 _IOR('L', 4, int)
 
int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd;
    int value;
    char buf[64] = {0};
    fd = open("/dev/hello_misc", O_RDWR);
    if (fd < 0)
    {
        perror("open error \n");
        return fd;
    }
    while (1)
    {
        ioctl(fd, CMD_TEST4, &value);
        printf("value is %d \n", value);
        sleep(2);
    }
    return 0;
}

编译完成如我们进入共享目录,卸载原来加载的驱动模块，然后再加载新的驱动模块以后，再运行应用程序

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