關於驅動程式中的ioctl (轉貼)

我這裡說的ioctl函式是在驅動程式裡的，因為我不知道還有沒有別的場合用到了ioctl，所以就規定了我們討論的範圍。

一、 什麼是ioctl。

ioctl是裝置驅動程式中對裝置的I/O通道進行管理的函式。所謂對I/O通道進行管理，就
是對裝置的一些特性進行控制，例如串列埠的傳輸波特率、馬達的轉速等等。它的呼叫個數
如下：
int ioctl(int fd, ind cmd, …)；
其中fd就是使用者程式開啟裝置時使用open函式返回的檔案標示符，cmd就是使用者程式對設
備的控制命令，至於後面的省略號，那是一些補充引數，一般最多一個，有或沒有是和
cmd的意義相關的。
ioctl函式是檔案結構中的一個屬性分量，就是說如果你的驅動程式提供了對ioctl的支
持，使用者就可以在使用者程式中使用ioctl函式控制裝置的I/O通道。

二、 ioctl的必要性
如果不用ioctl的話，也可以實現對裝置I/O通道的控制，但那就是蠻擰了。例如，我們可
以在驅動程式中實現write的時候檢查一下是否有特殊約定的資料流透過，如果有的話，
那麼後面就跟著控制命令（一般在socket程式設計中常常這樣做）。但是如果這樣做的話，會
導致程式碼分工不明，程式結構混亂，程式設計師自己也會頭昏眼花的。
所以，我們就使用ioctl來實現控制的功能。要記住，使用者程式所作的只是透過命令碼告
訴驅動程式它想做什麼，至於怎麼解釋這些命令和怎麼實現這些命令，這都是驅動程式要
做的事情。

三、 ioctl如何實現
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
裡是不可能把它說得非常清楚了，不過如果有讀者對使用者程式怎麼和驅動程式聯絡起來感
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
道使用者程式的ioctl是怎麼和驅動程式中的ioctl實現聯絡在一起的了。
我這裡說一個大概思路，因為我覺得《Linux裝置驅動程式》這本書已經說的非常清楚
了，但是得化一些時間來看。
在驅動程式中實現的ioctl函式體內，實際上是有一個switch{case}結構，每一個case對
應一個命令碼，做出一些相應的操作。怎麼實現這些操作，這是每一個程式設計師自己的事
情，因為裝置都是特定的，這裡也沒法說。關鍵在於怎麼樣組織命令碼，因為在ioctl中
命令碼是唯一聯絡使用者程式命令和驅動程式支援的途徑。
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裝置是一一對應的，這樣才不
會將正確的命令發給錯誤的裝置，或者是把錯誤的命令發給正確的裝置，或者是把錯誤的
命令發給錯誤的裝置。這些錯誤都會導致不可預料的事情發生，而當程式設計師發現了這些奇
怪的事情的時候，再來除錯程式查詢錯誤，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：
____________________________________
| 裝置型別 | 序列號 | 方向 |資料尺寸|
|----------|--------|------|--------|
| 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，這些宏可根據便於理解的字串生成命令碼，或者是從
命令碼得到一些使用者可以理解的字串以標明這個命令對應的裝置型別、裝置序列號、數
據傳送方向和資料傳輸尺寸。

這些宏我就不在這裡解釋了，具體的形式請讀者察看Linux核心原始碼中的和，檔案裡給
除了這些宏完整的定義。這裡我只多說一個地方，那就是"幻數"。
幻數是一個字母，資料長度也是8，所以就用一個特定的字母來標明裝置型別，這和用一
個數字是一樣的，只是更加利於記憶和理解。就是這樣，再沒有更復雜的了。
更多的說了也沒有，讀者還是看一看原始碼吧，推薦各位閱讀《Linux 裝置驅動程式》所
帶原始碼中的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。

四、 cmd引數如何得出
這裡確實要說一說，cmd引數在使用者程式端由一些宏根據裝置型別、序列號、傳送方向、
資料尺寸等生成，這個整數透過系統呼叫傳遞到核心中的驅動程式，再由驅動程式使用解
碼宏從這個整數中得到裝置的型別、序列號、傳送方向、資料尺寸等資訊，然後透過
switch{case}結構進行相應的操作。
要透徹理解，只能是透過閱讀原始碼，我這篇文章實際上只是一個引子。Cmd引數的組織
還是比較複雜的，我認為要搞熟它還是得花不少時間的，但是這是值得的，驅動程式中最
難的是對中斷的理解。

五、 小結
ioctl其實沒有什麼很難的東西需要理解，關鍵是理解cmd命令碼是怎麼在使用者程式裡生成
並在驅動程式裡解析的，程式設計師最主要的工作量在switch{case}結構中，因為對裝置的
I/O控制都是透過這一部分的程式碼實現的。

參考資料：
1．《Linux 裝置驅動程式》，魯賓尼著，中國電力出版社。
2．《write的奧秘》，coly，真情流露(202.204.7.235)->電腦技術->Linux技術。