ioctl、printk及多个此设备支持

news2024/10/7 16:23:21

一、ioctl操作实现

ioctl（Input/Output Control）是一个在 Unix-like 操作系统中的系统调用，用于控制设备或文件的各种操作。它允许用户空间程序与内核空间进行交互，执行一些特定的设备控制、状态查询或其他操作，而不必读写设备文件本身。

已知成员的地址获得所在结构体变量的地址：container_of(成员地址,结构体类型名，成员在结构体中的名称)

long xxx_ioctl (struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);
功能：对相应设备做指定的控制操作（各种属性的设置获取等等）
参数：
	filp：指向open产生的struct file类型的对象，表示本次ioctl对应的那次open
	cmd：用来表示做的是哪一个操作
    arg：和cmd配合用的参数
返回值：成功为0，失败-1

cmd组成

在这里插入图片描述

  1. dir（direction），ioctl 命令访问模式（属性数据传输方向），占据 2 bit，可以为 _IOC_NONE、_IOC_READ、_IOC_WRITE、_IOC_READ | _IOC_WRITE，分别指示了四种访问模式：无数据、读数据、写数据、读写数据；
  2. type（device type），设备类型，占据 8 bit，在一些文献中翻译为 “幻数” 或者 “魔数”，可以为任意 char 型字符，例如
    ‘a’、’b’、’c’ 等等，其主要作用是使 ioctl 命令有唯一的设备标识；
  3. nr（number），命令编号/序数，占据 8 bit，可以为任意 unsigned char 型数据，取值范围 0~255，如果定义了多个 ioctl 命令，通常从 0 开始编号递增；
  4. size，涉及到 ioctl 函数 第三个参数 arg ，占据 13bit 或者 14bit（体系相关，arm 架构一般为 14 位），指定了 arg 的数据类型及长度，如果在驱动的 ioctl 实现中不检查，通常可以忽略该参数；
#define _IOC(dir,type,nr,size) (((dir)<<_IOC_DIRSHIFT)| \
                               ((type)<<_IOC_TYPESHIFT)| \
                               ((nr)<<_IOC_NRSHIFT)| \
                               ((size)<<_IOC_SIZESHIFT))
/* used to create numbers */

// 定义不带参数的 ioctl 命令
#define _IO(type,nr)   _IOC(_IOC_NONE,(type),(nr),0)

//定义带读参数的ioctl命令（copy_to_user） size为类型名
#define _IOR(type,nr,size)  _IOC(_IOC_READ,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))

//定义带写参数的 ioctl 命令（copy_from_user） size为类型名
#define _IOW(type,nr,size)  _IOC(_IOC_WRITE,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))

//定义带读写参数的 ioctl 命令 size为类型名
#define _IOWR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))

/* used to decode ioctl numbers */
#define _IOC_DIR(nr)        (((nr) >> _IOC_DIRSHIFT) & _IOC_DIRMASK)
#define _IOC_TYPE(nr)       (((nr) >> _IOC_TYPESHIFT) & _IOC_TYPEMASK)
#define _IOC_NR(nr)     (((nr) >> _IOC_NRSHIFT) & _IOC_NRMASK)
#define _IOC_SIZE(nr)      (((nr) >> _IOC_SIZESHIFT) & _IOC_SIZEMASK)

示例：
mychar.h

#ifndef MY_CHAR_H
#define MY_CHAR_H


#include <asm/ioctl.h>

#define MY_CHAR_MAGIC 'c'

#define MYCHAR_IOCTL_GET_MAXLEN _IOR(MY_CHAR_MAGIC, 1, int *)
#define MYCHAR_IOCTL_GET_CURLEN _IOR(MY_CHAR_MAGIC, 2, int *)


#endif

mychar.c

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/sched.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/ioctl.h>

#include "mychar.h"

#define BUF_LEN 100

int major = 11;					//主设备号
int minor = 0;					//次设备号
int char_num = 1;				//设备号数量

struct mychar_dev 
{
	struct cdev mydev;
	char mydev_buf[BUF_LEN];
	int curlen;
};
struct mychar_dev gmydev;

int mychar_open (struct inode *pnode, struct file *pfile)//打开设备
{
	pfile->private_data = (void *) (container_of(pnode->i_cdev, struct mychar_dev, mydev));
	printk("open\n");
	return 0;
}

int mychar_close(struct inode *pnode, struct file *pfile)//关闭设备
{
	printk("close\n");
	return 0;
}

ssize_t mychar_read (struct file *pfile, char __user *puser, size_t count, loff_t *p_pos) {

	struct mychar_dev *pmydev = (struct mychar_dev *)pfile->private_data;
	int size = 0;
	int ret = 0;

	// 确定要读取的数据长度，如果请求大于设备当前数据长度，则读取全部可用数据
	if (count > pmydev->curlen) {
		size = pmydev->curlen;
	}
	else {
		size = count;
	}

	// 将设备数据复制到用户空间缓冲区
	ret = copy_to_user(puser, pmydev->mydev_buf, size);
	if(ret) {
		printk("copy_to_user failed\n");
		return -1;
	}

	// 移动设备内部缓冲区，去除已读取的数据
	memcpy(pmydev->mydev_buf, pmydev->mydev_buf + size, pmydev->curlen - size);

	pmydev->curlen -= size;
		
	// 返回实际读取的字节数
	return size;
}

ssize_t mychar_write (struct file *pfile, const char __user *puser, size_t count, loff_t *p_pos) {

	struct mychar_dev *pmydev = (struct mychar_dev *)pfile->private_data;
	int size = 0;
	int ret = 0;

	// 确定要写入的数据长度，如果请求大于设备缓冲区剩余空间，则写入剩余空间大小
	if (count > BUF_LEN - pmydev->curlen) {
		size = BUF_LEN - pmydev->curlen;
	}
	else {
		size = count;
	}

	// 从用户空间复制数据到设备缓冲区
	ret = copy_from_user(pmydev->mydev_buf + pmydev->curlen, puser, size);
	if(ret) {
		printk("copy_from_user failed\n");
		return -1;
	}

	// 更新设备缓冲区中的数据长度
	pmydev->curlen += size;

	 // 返回实际写入的字节数
	return size;
}

long mychar_ioctl(struct file *pfile, unsigned int cmd, unsigned long arg) 
{
	struct mychar_dev *pmydev = (struct mychar_dev *)pfile->private_data;
	int __user *pret = (int *)arg;
	int maxlen = BUF_LEN;
	int ret = 0;

	switch(cmd) {
	case MYCHAR_IOCTL_GET_MAXLEN:
		ret = copy_to_user(pret, &maxlen, sizeof(int));
		if(ret) {
			printk("copy_from_user failed\n");
			return -1;
		}
		break;

	case MYCHAR_IOCTL_GET_CURLEN:
		ret = copy_to_user(pret, &pmydev->curlen, sizeof(int));
		if(ret) {
			printk("copy_from_user failed\n");
			return -1;
		}
		break;

	default:
		printk("The is a know\n");
		return -1;
	}
	return 0;
}

struct file_operations myops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = mychar_open,
	.read = mychar_read,
	.write = mychar_write,
};

int __init mychar_init(void) 
{
	int ret = 0;
	dev_t devno = MKDEV(major, minor);

	/* 手动申请设备号 */
	ret = register_chrdev_region(devno, char_num, "mychar");
	if (ret) {
		/* 动态申请设备号 */
		ret = alloc_chrdev_region(&devno, minor, char_num, "mychar");
		if(ret){
			printk("get devno failed\n");
			return -1;
		}
		/*申请成功 更新设备号*/
		major = MAJOR(devno);
	}
	
	/* 给struct cdev对象指定操作函数集 */
	cdev_init(&gmydev.mydev, &myops);

	/* 将struct cdev对象添加到内核对应的数据结构中 */
	gmydev.mydev.owner = THIS_MODULE;
	cdev_add(&gmydev.mydev, devno, char_num);

	return 0;
}

void __exit mychar_exit(void) 
{

	dev_t devno = MKDEV(major, minor);
	printk("exit %d\n", devno);
	
	/* 从内核中移除一个字符设备 */
	cdev_del(&gmydev.mydev);

	/* 回收设备号 */
	unregister_chrdev_region(devno, char_num);

}

MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(mychar_init);
module_exit(mychar_exit);

testmychar_app.c

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <sys/ioctl.h>

#include "mychar.h"
int main(int argc, char *argv[])
{
	int fd = -1;
	char buf[32] = "";
	int max = 0;
	int cur = 0;

	if(argc < 2) {
		printf("The argument is too few\n");
		return -1;
	}

	fd = open(argv[1], O_RDWR);
	if(fd < 0) {
		perror("open");
		return -1;
	}

	ioctl(fd, MYCHAR_IOCTL_GET_MAXLEN, &max);
	printf("max len is %d\n", max);

	write(fd, "hello", 6);

	ioctl(fd, MYCHAR_IOCTL_GET_CURLEN, &cur);
	read(fd, buf, 32);

	printf("cur len is %d\n", cur);

	printf("buf = %s\n", buf);
	close(fd);
	fd = -1;
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

二、printk

//日志级别
#define	KERN_EMERG	"<0>"	/* system is unusable			*/
#define	KERN_ALERT	"<1>"	/* action must be taken immediately	*/
#define	KERN_CRIT	"<2>"	/* critical conditions			*/
#define	KERN_ERR	"<3>"	/* error conditions			*/

#define	KERN_WARNING	"<4>"	/* warning conditions			*/

#define	KERN_NOTICE	"<5>"	/* normal but significant condition	*/
#define	KERN_INFO	"<6>"	/* informational			*/
#define	KERN_DEBUG	"<7>"	/* debug-level messages			*/

用法：printk(KERN_INFO"....",....)
    
    printk(KERN_INFO"Hello World"); =====> printk("<6>""Hello World") ====> printk("<6>Hello World")

dmesg --level=emerg,alert,crit,err,warn,notice,info,debug

#define HELLO_DEBUG
#undef PDEBUG
#ifdef HELLO_DEBUG
#define PDEBUG(fmt, args...) printk(KERN_DEBUG fmt, ##args)
#else
#define PDEBUG(fmt, args...)
#endif

三、多个次设备的支持

每一个具体设备（次设备不一样的设备），必须有一个struct cdev来代表它

cdev_init

cdev.owner赋值

cdev_add

以上三个操作对每个具体设备都要进行

示例：

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/ioctl.h>

#include "mychar.h"

#define BUF_LEN 100
#define MYCHAR_DEV_CNT 3

int major = 11;					//主设备号
int minor = 0;					//次设备号
int char_num = MYCHAR_DEV_CNT;				//设备号数量

struct mychar_dev 
{
	struct cdev mydev;
	char mydev_buf[BUF_LEN];
	int curlen;
};
struct mychar_dev gmydev[MYCHAR_DEV_CNT];

int mychar_open (struct inode *pnode, struct file *pfile)//打开设备
{
	pfile->private_data = (void *) (container_of(pnode->i_cdev, struct mychar_dev, mydev));
	printk("open\n");
	return 0;
}

int mychar_close(struct inode *pnode, struct file *pfile)//关闭设备
{
	printk("close\n");
	return 0;
}

ssize_t mychar_read (struct file *pfile, char __user *puser, size_t count, loff_t *p_pos) {

	struct mychar_dev *pmydev = (struct mychar_dev *)pfile->private_data;
	int size = 0;
	int ret = 0;

	// 确定要读取的数据长度，如果请求大于设备当前数据长度，则读取全部可用数据
	if (count > pmydev->curlen) {
		size = pmydev->curlen;
	}
	else {
		size = count;
	}

	// 将设备数据复制到用户空间缓冲区
	ret = copy_to_user(puser, pmydev->mydev_buf, size);
	if(ret) {
		printk("copy_to_user failed\n");
		return -1;
	}

	// 移动设备内部缓冲区，去除已读取的数据
	memcpy(pmydev->mydev_buf, pmydev->mydev_buf + size, pmydev->curlen - size);

	pmydev->curlen -= size;
	
	// 返回实际读取的字节数
	return size;
}

ssize_t mychar_write (struct file *pfile, const char __user *puser, size_t count, loff_t *p_pos) {

	struct mychar_dev *pmydev = (struct mychar_dev *)pfile->private_data;
	int size = 0;
	int ret = 0;

	// 确定要写入的数据长度，如果请求大于设备缓冲区剩余空间，则写入剩余空间大小
	if (count > BUF_LEN - pmydev->curlen) {
		size = BUF_LEN - pmydev->curlen;
	}
	else {
		size = count;
	}

	// 从用户空间复制数据到设备缓冲区
	ret = copy_from_user(pmydev->mydev_buf + pmydev->curlen, puser, size);
	if(ret) {
		printk("copy_from_user failed\n");
		return -1;
	}

	// 更新设备缓冲区中的数据长度
	pmydev->curlen += size;

	 // 返回实际写入的字节数
	return size;
}

long mychar_ioctl(struct file *pfile, unsigned int cmd, unsigned long arg) 
{
	struct mychar_dev *pmydev = (struct mychar_dev *)pfile->private_data;
	int __user *pret = (int *)arg;
	int maxlen = BUF_LEN;
	int ret = 0;

	switch(cmd) {
	case MYCHAR_IOCTL_GET_MAXLEN:
		ret = copy_to_user(pret, &maxlen, sizeof(int));
		if(ret) {
			printk("copy_from_user failed\n");
			return -1;
		}
		break;

	case MYCHAR_IOCTL_GET_CURLEN:
		ret = copy_to_user(pret, &pmydev->curlen, sizeof(int));
		if(ret) {
			printk("copy_from_user failed\n");
			return -1;
		}
		break;

	default:
		printk("The is a know\n");
		return -1;
	}
	return 0;
}

struct file_operations myops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = mychar_open,
	.read = mychar_read,
	.write = mychar_write,
	.unlocked_ioctl = mychar_ioctl,
};

int __init mychar_init(void) 
{
	int ret = 0;
	int i;
	dev_t devno = MKDEV(major, minor);

	/* 手动申请设备号 */
	ret = register_chrdev_region(devno, char_num, "mychar");
	if (ret) {
		/* 动态申请设备号 */
		ret = alloc_chrdev_region(&devno, minor, char_num, "mychar");
		if(ret){
			printk("get devno failed\n");
			return -1;
		}
		/*申请成功 更新设备号*/
		major = MAJOR(devno);
	}

	for(i = 0; i < MYCHAR_DEV_CNT; i++) {
		devno = MKDEV(major, minor + i);
		cdev_init(&gmydev[i].mydev, &myops);

		gmydev[i].mydev.owner = THIS_MODULE;
		cdev_add(&gmydev[i].mydev, devno, 1);
	}

	return 0;
}

void __exit mychar_exit(void) 
{
	int i;
	dev_t devno = MKDEV(major, minor);
	printk("exit %d\n", devno);
	
	for(i = 0; i < MYCHAR_DEV_CNT; i++) {
		/* 从内核中移除一个字符设备 */
		cdev_del(&gmydev[i].mydev);
	}
	/* 回收设备号 */
	unregister_chrdev_region(devno, char_num);

}

MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(mychar_init);
module_exit(mychar_exit);

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