(LDD) Ch05-字符設備驅動程序的擴展操作

      第5章 字符設備驅動程序的擴展操作
       
       
      在關于字符設備驅動程序的那一章中，我們構建了一個完整的設備驅動程序，從中用戶
      可以讀也可以寫。但實際一個驅動程序通常會提供比同步read和write更多的功能?，F在
      如果出了什么毛病，我已經配備了調試工具，我們可以大膽的實驗并實現新操作。
       
      通過補充設備讀寫操作的功能之一就是控制硬件，最常用的通過設備驅動程序完成控制
      動作的方法就是實現ioctl方法。另一種方法是檢查寫到設備中的數據流，使用特殊序列
      做為控制命令。盡管有時也使用后者，但應該盡量避免這樣使用。不過稍后我們還是會
      在本章的“非ioctl設備控制”一節中介紹這項技術。
       
      正如我在前一章中所猜想的，ioctl系統調用為驅動程序執行“命令”提供了一個設備相
      關的入口點。與read和其他方法不同，ioctl是設備相關的，它允許應用程序訪問被驅動
      硬件的特殊功能――配置設備以及進入或退出操作模式。這些“控制操作”通常無法通

      硬件的特殊功能――配置設備以及進入或退出操作模式。這些“控制操作”通常無法通
      過read/write文件操作完成。例如，你向串口寫的所有數據都通過串口發送出去了，你
      無法通過寫設備改變波特率。這就是ioctl所要做的：控制I/O通道。
       
      實際設備（與scull不同）的另一個重要功能是，讀或寫的數據需要同其他硬件交互，需
      要某些同步機制。阻塞型I/O和異步觸發的概念將滿足這些需求，本章將通過一個改寫的
      scull設備介紹這些內容。驅動程序利用不同進程間的交互產生異步事件。與最初的scul
      l相同，你無需特殊硬件來測試驅動程序是否可以工作。直到第8章“硬件管理”我才會
      真正去與硬件打交道。
       
      ioctl
      在用戶空間內調用ioctl函數的原型大致如下：
       
      （代碼）
       
      由于使用了一連串的“.”的緣故，該原型在Unix系統調用列表之中非常突出，這些點代
      表可變數目參數。但是在實際系統中，系統調用實際上不會有可變數目個參數。因為用
      戶程序只能通過第2章“編寫和運行模塊”的“用戶空間和內核空間”一節中介紹的硬件
      “門”才能訪問內核，系統調用必須有精確定義的參數個數。因此，ioctl的第3個參數
      事實上只是一個可選參數，這里用點只是為了在編譯時防止編譯器進行類型檢查。第3個
      參數的具體情況與要完成的控制命令（第2個參數）有關。某些命令不需要參數，某些需
      要一個整數做參數，而某些則需要一個指針做參數。使用指針通常是可以用來向ioctl傳
      遞任意數目數據；設備可以從用戶空間接收任意大小的數據。

      遞任意數目數據；設備可以從用戶空間接收任意大小的數據。
       
      系統調用的參數根據方法的聲明傳遞給驅動程序方法：
       
      （代碼）
       
      inode和filp指針是根據應用程序傳遞的文件描述符fd計算而得的，與read和write的用
      法一致。參數cmd不經修改地傳遞給驅動程序，可選的arg參數無論是指針還是整數值，
      它都以unsigned long的形式傳遞給驅動程序。如果調用程序沒有傳遞第3個參數，驅動
      程序所接收的arg沒有任何意義。
       
      由于附加參數的類型檢查被關閉了，如果非法參數傳遞給ioctl，編譯器無法向你報警，
      程序員在運行前是無法注意這個錯誤的。這是我所見到的ioctl語義方面的唯一一個問題
      。
       
      如你所想，大多數ioctl實現都包括一個switch語句來根據cmd參數選擇正確的操作。不
      同的命令對應不同的數值，為了簡化代碼我們通常會使用符號名代替數值。這些符號名
      都是在預處理中賦值的。不同的驅動程序通常會在它們的頭文件中聲明這些符號；scull
      就在scull.h中聲明了這些符號。
       
      選擇ioctl命令
      在編寫ioctl代碼之前，你需要選擇對應不同命令的命令號。遺憾的是，簡單地從1開始
      選擇號碼是不能奏效的。

      選擇號碼是不能奏效的。
       
      為了防止對錯誤的設備使用正確的命令，命令號應該在系統范圍內是唯一的。這種失配
      并不是不很容易發生，程序可能發現自己正在對象FIFO和kmouse這類非串口輸入流修改
      波特率。如果每一個ioctl命令都是唯一的，應用程序就會獲得一個EINVAL錯誤，而不是
      無意間成功地完成了操作。
       
      為了達到唯一性的目的，每一個命令號都應該由多個位字段組成。Linux的第一版使用了
      一個16位整數：高8位是與設備相關的“幻”數，低8位是一個序列號碼，在設備內是唯
      一的。這是因為，用Linus的話說，他有點“無頭緒”，后來才接收了一個更好的位字段
      分割方案。遺憾的是，很少有驅動程序使用新的約定，這就挫傷了程序員使用新約定的
      熱情。在我的源碼中，為了發掘這種約定都提供了那些功能，同時防止被其他開發人員
      當成異教徒而禁止，我使用了新的定義命令的方法。
       
      為了給我的驅動程序選擇ioctl號，你應該首先看看include/asm/ioctl.h和Documentati
      on/ioctl-number.txt這兩個文件。頭文件定義了位字段：類型（幻數），基數，傳送方
      向，參數的尺寸等等。ioctl-number.txt文件中羅列了在內核中使用的幻數。這個文件
      的新版本（2.0以及后繼內核）也給出了為什么應該使用這個約定的原因。
       
      很不幸，在1.2.x中發行的頭文件沒有給出切分ioctl位字段宏的全集。如果你需要象我
      的scull一樣使用這種新方法，同時還要保持向后兼容性，你使用scull/sysdep.h中的若
      干代碼行，我在那里給出了解決問題的文檔的代碼。
       

       
      現在已經不贊成使用的選擇ioctl號碼的舊方法非常簡單：選擇一個8位幻數，比如“k”
      （十六進制為0x6b），然后加上一個基數，就象這樣：
       
      （代碼）
       
      如果應用程序和驅動程序都使用了相同的號碼，你只要在驅動程序里實現switch語句就
      可以了。但是，這種在傳統Unix中有基礎的定義ioctl號碼的方法，不應該再在新約定中
      使用。這里我介紹就方法只是想給你看看一個ioctl號碼大致是個什么樣子的。
       
      新的定義號碼的方法使用了4個位字段，它們有如下意義。下面我所介紹的新符號都定義
      在<linux/ioctl.h>中。
       
      類型
       
      幻數。選擇一個號碼，并在整個驅動程序中使用這個號碼。這個字段有8位寬（_IOC_TYP
      EBITS）。
       
      號碼
       
      基（序列）數。它也是8位寬（_IOC_NRBITS）。
       
      方向

      方向
       
      如果該命令有數據傳輸，它定義數據傳輸的方向?？梢允褂玫闹涤?，_IOC_NONE（沒有數
      據傳輸），_IOC_READ，_IOC_WRITE和_IOC_READ | _IOC_WRITE（雙向傳輸數據）。數據
      傳輸是從應用程序的角度看的；IOC_READ意味著從設備中讀數據，驅動程序必須向用戶
      空間寫數據。注意，該字段是一個位屏蔽碼，因此可以用邏輯AND操作從中分解出_IOC_R
      EAD和_IOC_WRITE。
       
      尺寸
       
      所涉及的數據大小。這個字段的寬度與體系結構有關，當前的范圍從8位到14位不等。你
      可以在宏_IOC_SIZEBITS中找到某種體系結構的具體數值。不過，如果你想要你的驅動程
      序可移植，你只能認為最大尺寸可達255個字節。系統并不強制你使用這個字段。如果你
      需要更大尺度的數據傳輸，你可以忽略這個字段。下面我們將介紹如何使用這個字段。
       
      包含在<linux/ioctl.h>之中的頭文件<asm/ioctl.h>定義了可以用來構造命令號碼的宏
      ：_IO(type,nr)，_IOR(type,nr,size)，_IOW(type,nr,size)和IOWR(type,nr,size)。
      每一個宏都對應一種可能的數據傳輸方向，其他字段通過參數傳遞。頭文件還定義了解
      碼宏：_IOC_DIR(nr)，_IOC_TYPE(nr)，_IOC_NR(nr)和_IOC_SIZE(nr)。我不打算詳細介
      紹這些宏，頭文件里的定義已經足夠清楚了，本節稍后會給出樣例。
       
      這里是scull中如果定義ioctl命令的。特別地，這些命令設置并獲取驅動程序的配置參
      數。在標準的宏定義中，要傳送的數據項的尺寸有數據項自身的實例代表，而不是sizeo

      數。在標準的宏定義中，要傳送的數據項的尺寸有數據項自身的實例代表，而不是sizeo
      f(item)，這是因為sizeof是宏擴展后的一部分。
       
      （代碼）
       
      最后一條命令，HARDRESET，用來將模塊使用計數器復位為0，這樣就可以在計數器發生
      錯誤時就可以卸載模塊了。實際的源碼定義了從IOCHQSET到HARDRESET間的所有命令，但
      這里沒有列出。
       
      我選擇用兩種方法實現整數參數傳 莰D―通過指針和顯式數值，盡管根據已有的約定，i
      octl應該使用指針完成數據交換。同樣，這兩種方法還用于返回整數：通過指針和設置
      返回值。如果返回值是正的，這就可以工作；對與任何一個系統調用的返回值，正值是
      受保護的（如我們在read和write所見到的），而負值則被認為是一個錯誤值，用其設置
      用戶空間中的errno變量。
       
      “交換”和“移位”操作并不專用于scull設備。我實現“交換”操作是為了給出“方向
      ”字段的所有可能值，而“移位”操作則將“告知”和“查詢”操作組合在一起。某些
      時候是需要原子性*測試兼設置這類操作的――特別是當應用程序需要加鎖和解鎖時。
       
      顯式的命令基數沒有什么特殊意義。它只是用來區分命令的。事實上，由于ioctl號碼的
      “方向”為會有所不同，你甚至可以在讀命令和寫命令中使用同一個基數。我選擇除了
      在聲明中使用基數外，其他地方都不使用它，這樣我就不必為符號值賦值了。這也是為
      什么顯式的號碼出現在上面的定義中。我只是向你介紹一種使用命令號碼的方法，你可

      什么顯式的號碼出現在上面的定義中。我只是向你介紹一種使用命令號碼的方法，你可
      以自由地采用不同的方法使用它。
       
      當前，參數cmd的值內核并沒有使用，而且以后也不可能使用。因此，如果你想偷懶，你
      可以省去上面那些復雜的聲明，而直接顯式地使用一組16位數值。但另一方面，如果你
      這樣做了，你就無法從使用位字段中受益了。頭文件<linux/kd.h>就是這種舊風格方法
      的例子，但是它們并不是因為偷懶才這樣做的。修改這個文件需要重新編譯許多應用程
      序。