嵌入式Linux 开发经验：编写用户态应用程序 ioctl 控制 misc 设备

news2024/9/20 18:38:26

参考文章

VSCode SSH 连接远程ubuntu Linux 主机

ubuntu 20.04 qemu linux6.0.1 开发环境搭建

ubuntu 20.04 qemu linux6.0.1 制作ext4根文件系统

嵌入式Linux 开发经验：platform_driver_register 的使用方法

嵌入式Linux 开发经验：注册一个 misc 设备

嵌入式Linux 开发经验：编写用户态应用程序打开 misc 设备

  • 通过以上的文章，应该可以搭建一个 基于 qemu 的 Linux 设备驱动开发验证平台，开发方法是 VS Code 远程连接 ubuntu 20.04，Linux 内核 在 ubuntu 主机上。

  • 上一篇已经编写了用户态的应用程序，实现了 open close 操作 Linux 内核注册的misc 设备，本篇增加 ioctl 控制操作，熟练掌握 ioctl 的工作原理，可以实现 misc 设备的各种控制操作

测试环境搭建

  • ubuntu 20.04

  • VMware Workstation Pro 16

  • 基于qemu（模拟器），vexpress-a9 平台

  • Linux 6.0.10 (当前最新版本）

  • 编写一个简单的用户态应用程序，ioctl 方式 控制 Linux 内核注册的misc 驱动设备，掌握misc 设备使用方法：ioctl 命令控制

ioctl 命令控制

  • Linux 的 misc 设备，用户态的应用程序，是通过文件 file 的方式进行控制的， file 有个 ioctl 的函数接口，可以传入用户自定义的命令，与内核的 misc 设备进行交互操作

  • Linux 的 ioctl 命令 控制实现其实不复杂，有一个命令列表，收到什么命令，进行什么操作，就像是【空调】控制一样，除了点击【电源按钮】进行开关外，调节温度、更改模式，都是下发各种指令，空调接收

  • ioctl 就是类似【空调】遥控器的各种命令，调节温度、设置各个模式等

测试例程

Linux 内核态 misc 设备首先需要支持 ioctl 命令

  • 编写或者修改 内核态的 设备驱动 led_misc.h，位置放在 linux-6.0.10/drivers/led_control/led_misc.h 目下

  • 通过使用 宏 _IO，组合出多个 ioctl 命令，注意这几个命令只用于 当前的 misc 设备，也就是说，不同的 misc 设备，ioctl 命令可以相同，也可以不同

  • 同一个 misc 设备的命令，不能相同，这里的命令逐个加一，保证不相同

#ifndef __LED_MISC_H__
#define __LED_MISC_H__

#include <linux/module.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/mm.h>

#define LED_CONTROL_IOCTL_MAGIC         'L'
#define LED_CONTROL_IOCTL_ON            _IO(LED_CONTROL_IOCTL_MAGIC, 1)
#define LED_CONTROL_IOCTL_OFF           _IO(LED_CONTROL_IOCTL_MAGIC, 2)
#define LED_CONTROL_IOCTL_GET_STATUS    _IO(LED_CONTROL_IOCTL_MAGIC, 3)

int led_miscdev_init(void);
void led_miscdev_exit(void);

#endif

  • 编写或者修改 内核态的 设备驱动 led_misc.c，位置放在 linux-6.0.10/drivers/led_control/led_misc.c 目下

  • 这里主要是丰富了 ioctl 函数，增加了几个命令执行操作

#include "led_misc.h"

#define LED_MISC_DEVICE_NAME        "led_misc"

struct led_misc_dev
{
	struct miscdevice misc;
};

struct led_misc_dev *led_miscdev;
static int led_status = 0x00;

static int led_misc_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    printk(KERN_INFO "%s : enter\n", __func__);
    return 0;
}

static int led_misc_close(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    printk(KERN_INFO "%s : enter\n", __func__);
    return 0;
}

static int led_misc_mmap(struct file *filp, struct vm_area_struct *vma)
{
    int ret = 0;

    if (filp == NULL)
    {
        printk(KERN_ERR "invalid file!");
        return -EFAULT;
    }
    if (vma == NULL)
    {
        printk(KERN_ERR "invalid vma area");
        return -EFAULT;
    }

    ret = remap_pfn_range(vma, vma->vm_start, vma->vm_pgoff,
        vma->vm_end - vma->vm_start, vma->vm_page_prot);

    printk(KERN_INFO "%s : ret = %d\n", __func__, ret);

    return ret;
}

static int led_control_ioctl_on(struct file *filp, int __user *led_num)
{
    int ret;
    int led_nums = 0;

    ret = copy_from_user(&led_nums, led_num, sizeof(led_nums));
    printk(KERN_INFO "%s : led_nums = 0x%08x\n", __func__, led_nums);

    if (ret < 0) {
        printk(KERN_ERR "%s : copy_from_user failed!\n", __func__);
        return ret;
    }

    led_status |= led_nums;

    return ret;
}

static int led_control_ioctl_off(struct file *filp, int __user *led_num)
{
    int ret;
    int led_nums = 0;

    ret = copy_from_user(&led_nums, led_num, sizeof(led_nums));
    printk(KERN_INFO "%s : led_nums = 0x%08x\n", __func__, led_nums);

    if (ret < 0) {
        printk(KERN_ERR "%s : copy_from_user failed!\n", __func__);
        return ret;
    }

    led_status &= ~led_nums;
    return ret;
}

static int led_control_ioctl_get_status(struct file *filp, int __user *status)
{
    int ret;
    printk(KERN_INFO "%s : led_status = 0x%08x\n", __func__, led_status);

    ret = copy_to_user(status, &led_status, sizeof(led_status));
    if (ret < 0)
    {
        printk(KERN_ERR "%s : copy_to_user failed!\n", __func__);
    }

    return ret;
}

static long led_misc_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long args)
{
    int ret = 0;

    printk(KERN_INFO "%s : enter, cmd = 0x%08x\n", __func__, cmd);

    if (filp == NULL)
    {
        printk(KERN_ERR "invalid file!");
        return -EFAULT;
    }

    switch(cmd)
    {
        case LED_CONTROL_IOCTL_ON:
            ret = led_control_ioctl_on(filp, (void __user *)args);
            break;
        case LED_CONTROL_IOCTL_OFF:
            ret = led_control_ioctl_off(filp, (void __user *)args);
            break;
        case LED_CONTROL_IOCTL_GET_STATUS:
            ret = led_control_ioctl_get_status(filp, (void __user *)args);
            break;
        default:
            ret = -EINVAL;
            break;
    }

    return 0;
}

static const struct file_operations led_misc_fops =
{
    .owner  = THIS_MODULE,
    .llseek = no_llseek,
    .unlocked_ioctl = led_misc_ioctl,
#ifdef CONFIG_COMPAT
    .compat_ioctl = led_misc_ioctl,
#endif
    .mmap = led_misc_mmap,
    .open = led_misc_open,
    .release = led_misc_close,
};

int led_miscdev_init(void)
{
    int ret;

    led_miscdev = kzalloc(sizeof(*led_miscdev), GFP_KERNEL);
    if (!led_miscdev)
        return -ENOMEM;

    led_miscdev->misc.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR;
    led_miscdev->misc.fops = &led_misc_fops;
    led_miscdev->misc.name = LED_MISC_DEVICE_NAME;
    led_miscdev->misc.nodename = LED_MISC_DEVICE_NAME;

    ret = misc_register(&led_miscdev->misc);
    if (ret < 0)
    {
        printk(KERN_INFO "%s : error\n", __func__);
    }
    else
    {
        printk(KERN_INFO "%s : ok\n", __func__);
    }

    return ret;
}

void led_miscdev_exit(void)
{
    misc_deregister(&led_miscdev->misc);
    printk(KERN_INFO "%s : ok\n", __func__);
}

Linux 用户态 应用，需要调用 ioctl 命令

  • 驱动注册后，用户不调用，设备就不会工作，用户不下发 ioctl 控制指令，设备就无法得到控制

  • 修改用户态 led_control.c 程序，位置在：apps/led_control/led_control.c，增加了 ioctl 命令的调用

#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <unistd.h>

#define LED_CONTROL_DEVICE_NAME		"/dev/led_misc"

#define LED_CONTROL_IOCTL_MAGIC         'L'
#define LED_CONTROL_IOCTL_ON            _IO(LED_CONTROL_IOCTL_MAGIC, 1)
#define LED_CONTROL_IOCTL_OFF           _IO(LED_CONTROL_IOCTL_MAGIC, 2)
#define LED_CONTROL_IOCTL_GET_STATUS    _IO(LED_CONTROL_IOCTL_MAGIC, 3)

int led_dev_fd = -1;

int led_dev_init(void)
{
	int fd;
	fd = open(LED_CONTROL_DEVICE_NAME, O_RDWR);
	if (fd < 0)
	{
		printf("%s : open device error\n", __func__);
		return -1;
	}
	led_dev_fd = fd;
	
	printf("%s : ok\n", __func__);
	return 0;
}

int led_dev_deinit(void)
{
	if (close(led_dev_fd) != 0)
	{
		printf("%s : error\n", __func__);
		return -1;
	}
		
	printf("%s : ok\n", __func__);
	return 0;
}

int led_dev_on(int led_num)
{
    if (ioctl(led_dev_fd, LED_CONTROL_IOCTL_ON, &led_num) != 0)
    {
        printf("%s : error, led_num = 0x%08x\n", __func__, led_num);
        return -1;
    }

	printf("%s : ok\n", __func__);
	return 0;
}

int led_dev_off(int led_num)
{
    if (ioctl(led_dev_fd, LED_CONTROL_IOCTL_OFF, &led_num) != 0)
    {
        printf("%s : error, led_num = 0x%08x\n", __func__, led_num);
        return -1;
    }

	printf("%s : ok\n", __func__);
	return 0;
}

int led_dev_get_status(int *status)
{
    if (ioctl(led_dev_fd, LED_CONTROL_IOCTL_GET_STATUS, status) != 0)
    {
        printf("%s : error\n", __func__);
        return -1;
    }

	printf("%s : ok, led_status = 0x%08x\n", __func__, *status);
	return 0;
}

int main(int argc, char **argv)
{
    int led_status = 0;

	printf("%s : enter\n", __func__);
	led_dev_init();
    led_dev_on(0x0f);
    led_dev_get_status(&led_status);
    printf("step 1 : led_status = 0x%08x\n", led_status);
    led_dev_off(0x0f);
    led_dev_get_status(&led_status);
    printf("step 2 : led_status = 0x%08x\n", led_status);
	led_dev_deinit();
	printf("%s : exit\n", __func__);
	
	return 0;
}

编译与运行

内核代码编译

  • 编译方法参考前面的文章，输出 zImage

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j4

在这里插入图片描述

用户态程序编译

  • 执行 make，Makefile 编写可以参考前面的文章
zhangsz@zhangsz:~/linux/apps/led_control$ make
arm-linux-gnueabihf-gcc led_control.c -o led_control
  • 生成 led_control，放在 qemu 根文件系统的 /home/root 目录下
/* apps led_control 路径 */
zhangsz@zhangsz:~/linux/apps/led_control$ ls
led_control  led_control.c  Makefile

zhangsz@zhangsz:~/linux/apps/led_control$ cd ../../rootfs/
zhangsz@zhangsz:~/linux/rootfs$ ls
1130  boot_qemu.sh  ext4_rootfs  make_rootfs.sh  rootfs.ext4.img  rootfs_mnt  vexpress-v2p-ca9.dtb  zImage

/* ext4 根文件系统镜像文件，使用 mount 挂载到一个目录 */
zhangsz@zhangsz:~/linux/rootfs$ sudo mount rootfs.ext4.img rootfs_mnt/
[sudo] password for zhangsz: 

/* led_control 复制到 根文件系统镜像文件挂载的目录内 */
zhangsz@zhangsz:~/linux/rootfs$ sudo cp ../apps/led_control/led_control rootfs_mnt/home/root/

/* umount 后，文件就复制进根文件系统镜像文件中了 */
zhangsz@zhangsz:~/linux/rootfs$ sudo umount rootfs_mnt
  • 运行 qemu，运行 /home/root 目录下 的 led_control 用户程序，查看运行效果
qemu-system-arm -M vexpress-a9 -m 512M -dtb vexpress-v2p-ca9.dtb -kernel zImage -nographic -append "root=/dev/mmcblk0 rw console=ttyAMA0" -sd rootfs.ext4.img
  • 进入 shell ，进入 /home/root 目录
/home/root # ./led_control 
main : enter
led_misc_open : enter
led_dev_init : ok
led_misc_ioctl : enter, cmd = 0x00004c01
led_control_ioctl_on : led_nums = 0x0000000f
led_dev_on : ok
led_misc_ioctl : enter, cmd = 0x00004c03
led_control_ioctl_get_status : led_status = 0x0000000f
led_dev_get_status : ok, led_status = 0x0000000f
step 1 : led_status = 0x0000000f
led_misc_ioctl : enter, cmd = 0x00004c02
led_control_ioctl_off : led_nums = 0x0000000f
led_dev_off : ok
led_misc_ioctl : enter, cmd = 0x00004c03
led_control_ioctl_get_status : led_status = 0x00000000
led_dev_get_status : ok, led_status = 0x00000000
step 2 : led_status = 0x00000000
led_misc_close : enter
led_dev_deinit : ok
main : exit
/home/root #
  • 通过运行日志，可以发现 misc 设备成功的 open ioctl 控制，读取状态， close 等

小结

  • 本篇接着上一篇，讲了一下 ioctl 的命令控制，用户态的应用程序，通过 ioctl 下发各个 控制命令，如设置、获取状态等，Linux 内核 misc 设备接收 ioctl 命令并解析执行

  • 由于内核态与用户态内存的隔离，所以在参数的传递时，需要使用 copy_from_user 把内核态的传参复制到内核态，通过 copy_to_user，把内核态的数据 复制到 用户态

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