驱动原理学习1：字符设备驱动

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 2025/09/08 

一、字符设备驱动

1.1 ioctl

ioctl是用于设备控制的公共接口，可以实现用户态系统调用、设备驱动程序进行通信。ioctl在字符设备、块设备、网络设备等设备驱动程序中广泛使用。


+---------------+          +---------------+       +---------------+       +---------------------------+
|  用户态ioctl   +--------->| 陷入内核传递   +------>| 内核查找       +------>| sys_ioctl()根据文件操作集 |
|               |          | 系统调用号54   |       | 系统调用号54   |       | 找到驱动程序mydev_ioctl   |
+---------------+          +---------------+       +---------------+       +------------+--------------+
        ^                                                                               |
        |                                                                               |
        |                                                                               |
        |                                                                               v
        |                                                                  +---------------------------+
        +------------------------------------------------------------------+                           |
                                                                           | 执行驱动程序mydev_ioctl    |
                                                                           +---------------------------+

1.2 用户态ioctl和驱动ioctl

系统调用过程中，实际上就是处于用户空间的用户态ioctl对应上特定内核空间中ioctl的过程

但是用户态没有访问内核空间的权限，因此需要系统先通过SWI(Software Interrupt)的方式从用户态陷入内核态，并利用sys_ioctl通过文件操作集找到对应的驱动ioctl，三者共同构成了Linux I/O控制的核心机制。

1）用户态ioctl

在Linux中，glibc/标准库中（/usr/include/sys）封装着为用户程序提供的统一ioctl接口，在<sys/ioctl.h>中定义了ioctl函数：

1	extern int ioctl (int __fd, unsigned long int __request, ...) __THROW;

fd：设备文件描述符。表示要操作的设备对象。
request：也常将该参数写作cmd，表示对设备进行控制的命令，设备驱动将根据cmd参数执行对应的操作
- 该参数定义了用户与驱动的“协议”，虽然可以是任意值，但是Linux中还是提供了统一格式，将32位的int型数据划分成4个位段，来保证参数的唯一性。
...：可选参数，表示对设备进行控制的命令参数，可以是整数、指针等类型，用于传递给驱动程序。

下面讲解一下 request/cmd参数中的4个位段信息： - dir-2bit：表示数据传输方向（四种） - _IOC_NONE：无数据传输 - _IOC_READ：数据从内核空间（设备）读取到用户空间 - _IOC_WRITE：数据从用户空间写入到内核空间（设备） - _IOC_READ|_IOC_WRITE：数据在用户空间和内核空间之间双向传输 - type-8bit：设备类型标识符，用于区分不同设备。也成为幻数/魔数 - nr(number)-8bit：命令序号，用于区分同一设备的不同命令，可以从0~255之间进行编号 - size-14bit：表示用户传入的用户数据...部分参数的数据类型和长度，单位是字节 - 系统并不强制使用这个位字段，因此内核不会检查该字段。

 31             30           16 15            8 7             0
+---------------+--------------+---------------+---------------+
|     dir       |     size     |    type       |    nr         |
+---------------+--------------+---------------+---------------+

假设按照这4个字段来划分cmd参数，在宏定义时会定义_IOC_DIRSHIFT、_IOC_TYPESHIFT、_IOC_NRSHIFT、_IOC_SIZESHIFT这4个移位值，然后通过移位操作来获取这4个字段的值。

通常，我们不直接使用ioctl函数，而是使用一些宏定义，如_IOC：

#define _IOC(dir,type,nr,size) \
    (((dir)  << _IOC_DIRSHIFT) | \
     ((type) << _IOC_TYPESHIFT) | \
     ((nr)   << _IOC_NRSHIFT) | \
     ((size) << _IOC_SIZESHIFT))

并利用_IOC衍生的接口_IO _IOR _IOW _IOWR 等来生成指定的ioctl命令：

#define _IO(type,nr)        _IOC(_IOC_NONE,(type),(nr),0)	//定义不带参数的 ioctl 命令
#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）
#define _IOW(type,nr,size)  _IOC(_IOC_WRITE,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))	//定义											带读参数的ioctl命令（copy_to_user）
#define _IOWR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))		//定义带读写参数的 ioctl 命令

2）sys_ioctl

ioctl会让用户态触发中断陷入内核，所以ioctl本身也有一个系统调用号__NR_ioctl，在<arch/arm64/include/asm/unistd32.h>中定义：

中断陷入内核态之后，会根据寄存器传递过来的系统调用号(54)，执行系统调用表中的(54)操作，就是调用sys_ioctl()函数。

1 2	#define __NR_ioctl 54 __SYSCALL(__NR_ioctl, compat_sys_ioctl)

这里sys_ioctl函数的声明为：

1	asmlinkage long sys_ioctl(unsigned int fd, unsigned int cmd, unsigned long arg);

实际上我们使用的时候用的是SYSCALL_DEFINE3

SYSCALL_DEFINE3(ioctl, unsigned int, fd, unsigned int, cmd, unsigned long, arg)
{
    // 1. 根据fd找到对应的file结构体
    // 2. 检查权限和参数有效性
    // 3. 调用具体设备的ioctl操作方法
    return do_vfs_ioctl(file, fd, cmd, arg);
}

在SYSCALL_DEFINE3中执行do_vfs_ioctl，深挖到该接口里面会发现它将对应的驱动程序的ioctl加入到了文件操作集中，由此路由到对应的驱动ioctl函数中执行对应的操作

3）驱动ioctl

假设我们某个中断的目标是路由到led_ioctl驱动程序中，定义该驱动函数为：

1	static long led_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long arg)

在驱动程序中用switch对该设备的cmd号进行解析，并执行对应的操作

// 字符设备驱动示例
static long mydev_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
    switch (cmd) {
    case MYDEV_CMD_READ:
        // 处理读取请求
        break;
    case MYDEV_CMD_WRITE:
        // 处理写入请求
        break;
    default:
        return -ENOTTY; // 不支持的命令
    }
    return 0;
}

// 在file_operations中注册(注册到文件操作集中，供给sys_ioctl路由到这（通过`unlocked_ioctl`）)
static const struct file_operations mydev_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .unlocked_ioctl = mydev_ioctl,
    // 其他操作方法...
};