Linux 驅動程式的 I/O, #4: fops->ioctl 實作
延續前一篇文章的介紹，在了解 copy_to_user() 與 copy_from_user() 二個 API 後，接著 Jollen 將由 Linux device driver 的架構層來討論 user-space 與 kernel-space 的 I/O 機制。 同時，也延續在「架構層」系列教學專欄的 debug card 範例。
基本觀念
需要由 user-space 讀取資料，或是寫入資料給 user-space 的主要 3 個 driver method 為：read、write 與 ioctl。指向 user-space 資料空間（buffer）的指標是 kernel 回呼 driver method 時所傳遞進來的，我們由 read、write 與 ioctl 的函數原型宣告來說明如何撰寫程式：
˙int card_ioctl(struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd,
unsigned long arg);
˙ssize_t write(struct file *filp, const char *buff, size_t count, loff_t *offp);
˙ssize_t read(struct file *filp, char *buff, size_t count, loff_t *offp);
fops->ioctl 的參數 arg、fops->write 與 fops->read 的參數 buff 是指向 user-space 資料的指標。撰寫程式時，要注意資料型別上的不同。
實作 fops->ioctl
ioctl 代表 input/output control 的意思，故名思義，ioctl system call 是用來控制 I/O 讀寫用的，並且是支援user application存取裝置的重要 system call。因此，在 Linux 驅動程式設計上，我們會實作 ioctl system call 以提供 user application 讀寫（input/output）裝置的功能。
依此觀念，當 user application 需要將數字顯示到 debug card 時。範例 debug card 0.1.0 便需要實作 ioctl system call，然後在 fops->ioctl 裡呼叫 outb() 將 user application 所指定的數字輸出至 I/O port 80H。
User application 使用 GNU LIBC 的 ioctl() 函數呼叫 device driver 所提供的命令來「控制」裝置，因此驅動程式必須實作 fops->ioctl以提供「命令」給使用者。
fops->ioctl 函數原型如下：
int ioctl(struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long);
Linux 驅動程式以一個唯一且不重覆的數字來代表 ioctl 的命令，設計 Linux 驅動程式時，我們必須使用 kernel 所提供的巨集來宣告命令。根據命令的「方向」，kernel 提供以下 4 個巨集供我們宣告 ioctl 命令：,
- _IO(type,nr)：表示此 ioctl 命令不指定資料向方
- _IOR(type,nr,dataitem)：此 ioctl 命令由裝置 (driver) 讀取資料
- _IOW(type,nr,dataitem)：此 ioctl 命令將資料寫入裝置
- _IOWR(type,nr,dataitem)：此 ioctl 命令同時讀寫資料
若 user application 呼叫到驅動程式未提供的命令，則回傳 -ENOTTY 錯誤代碼。
debug card 0.1.0 範例裡，我們宣告了一個 IOCTL_WRITE 命令，當 user application 呼叫此命令後，驅動程式會將 user application 所指定的數字顯示在 debug card 上。由於我們的資料方向為「寫入裝置」，因此使用的宣告巨集為 _IOW。
Debug card 0.1.0 實作 fops->ioctl 的完整程式片斷如下：
#include <linux/ioctl.h>
#define DEV_MAJOR 121
#define DEV_NAME "debug"
#define DEV_IOCTLID 0xD0
#define IOCTL_WRITE _IOW(DEV_IOCTLID, 10, int)
unsigned long IOPort = 0x80;
void write_card(unsigned int);
void write_card(unsigned int num)
{
outb((unsigned char)num, IOPort);
}
int card_ioctl(struct inode *inode, struct file *filp,
unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
switch (cmd) {
case IOCTL_WRITE:
write_card((unsigned int)arg);
break;
default:
return -1;
}
return 0;
}
struct file_operation 的定義並未列出，不過請別忘了在 fops 裡加上 ioctl system call 的欄位。
User-space
以 debug card 0.1.0 驅動程式為例，user-space 的測試程式寫法如下：
int main(int argc, char *argv[])
{
int devfd;
int num = 0;
if (argc > 1) num = atoi(argv[1]);
if (num < 0) num = 0xff;
devfd = open("/dev/debug", O_RDONLY);
if (devfd == -1) {
printf("Can't open /dev/debug\n");
return -1;
}
printf("Write 0x%02x...\n", num);
ioctl(devfd, IOCTL_WRITE, num);
printf("Done. Wait 5 seconds...\n");
sleep(5);
close(devfd);
return 0;
}
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