[转载]Linux关于构造IOCTL命令的学习心得

来源:http://www.cnblogs.com/hnrainll/archive/2011/06/21/2086347.html
这篇博文写的非常棒,看了就会对ioctl有个很不错的了解,所以特地转载过来了.
在编写ioctl代码之前，需要选择对应不同命令的编号。为了防止对错误的设备使用正确的命令，命令号应该在系统范围内唯一，这种错误匹配并不是不会发生，程序可能发现自己正在试图对FIFO和audio等这类非串行设备输入流修改波特率，如果每一个ioctl命令都是唯一的，应用程序进行这种操作时就会得到一个EINVAL错误，而不是无意间成功地完成了意想不到的操作。

要按Linux内核的约定方法为驱动程序选择ioctl编号，应该首先看看include/asm/ioctl.h和Doucumention/ioctl-number.txt这两个文件。头文件定义了要使用的位字段：类型（幻数）、序数、传送方向以及参数大小等。ioctl-number.txt文件中罗列了内核所使用的幻数，选择自己的幻数要避免和内核冲突。以下是对include/asm/ioctl.h中定义的宏的注释：

#ifndef _ASM_GENERIC_IOCTL_H
#define _ASM_GENERIC_IOCTL_H

/* ioctl command encoding: 32 bits total, command in lower 16 bits,
 * size of the parameter structure in the lower 14 bits of the
 * upper 16 bits.
 * Encoding the size of the parameter structure in the ioctl request
 * is useful for catching programs compiled with old versions
 * and to avoid overwriting user space outside the user buffer area.
 * The highest 2 bits are reserved for indicating the ``access mode''.
 * NOTE: This limits the max parameter size to 16kB -1 !
 */

/*
 * The following is for compatibility across the various Linux
 * platforms.  The generic ioctl numbering scheme doesn't really enforce
 * a type field.  De facto, however, the top 8 bits of the lower 16
 * bits are indeed used as a type field, so we might just as well make
 * this explicit here.  Please be sure to use the decoding macros
 * below from now on.
 */
#define _IOC_NRBITS	8	//序数（number）字段的字位宽度，8bits
#define _IOC_TYPEBITS	8	//幻数（type）字段的字位宽度，8bits

/*
 * Let any architecture override either of the following before
 * including this file.
 */

#ifndef _IOC_SIZEBITS
# define _IOC_SIZEBITS	14	//大小（size）字段的字位宽度，14bits
#endif

#ifndef _IOC_DIRBITS
# define _IOC_DIRBITS	2	//方向（direction）字段的字位宽度，2bits
#endif

#define _IOC_NRMASK	((1 << _IOC_NRBITS)-1)	//序数字段的掩码，0x000000FF
#define _IOC_TYPEMASK	((1 << _IOC_TYPEBITS)-1)	//幻数字段的掩码，0x000000FF
#define _IOC_SIZEMASK	((1 << _IOC_SIZEBITS)-1)	//大小字段的掩码，0x00003FFF
#define _IOC_DIRMASK	((1 << _IOC_DIRBITS)-1)	//方向字段的掩码，0x00000003

#define _IOC_NRSHIFT	0	//数字段在整个字段中的位移，0
#define _IOC_TYPESHIFT	(_IOC_NRSHIFT+_IOC_NRBITS)	//幻数字段的位移，8
#define _IOC_SIZESHIFT	(_IOC_TYPESHIFT+_IOC_TYPEBITS)	//大小字段的位移，16
#define _IOC_DIRSHIFT	(_IOC_SIZESHIFT+_IOC_SIZEBITS)	//方向字段的位移，30

/*
 * Direction bits, which any architecture can choose to override
 * before including this file.
 */

#ifndef _IOC_NONE
# define _IOC_NONE	0U	//没有数据传输
#endif

#ifndef _IOC_WRITE
# define _IOC_WRITE	1U	//向设备写入数据，驱动程序必须从用户空间读入数据
#endif

#ifndef _IOC_READ
# define _IOC_READ	2U	//从设备中读取数据，驱动程序必须向用户空间写入数据
#endif

/*
*_IOC 宏将dir，type，nr，size四个参数组合成一个cmd参数，如下图：
*
*/

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

#ifdef __KERNEL__
/* provoke compile error for invalid uses of size argument */
extern unsigned int __invalid_size_argument_for_IOC;
#define _IOC_TYPECHECK(t) \
	((sizeof(t) == sizeof(t[1]) && \
	  sizeof(t) < (1 << _IOC_SIZEBITS)) ? \
	  sizeof(t) : __invalid_size_argument_for_IOC)
#else
#define _IOC_TYPECHECK(t) (sizeof(t))
#endif

/* used to create numbers */
#define _IO(type,nr)		_IOC(_IOC_NONE,(type),(nr),0)	//构造无参数的命令编号
#define _IOR(type,nr,size)	_IOC(_IOC_READ,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))	//构造从驱动程序中读取数据的命令编号
#define _IOW(type,nr,size)	_IOC(_IOC_WRITE,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))	//用于向驱动程序写入数据命令
#define _IOWR(type,nr,size)	_IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))	//用于双向传输
#define _IOR_BAD(type,nr,size)	_IOC(_IOC_READ,(type),(nr),sizeof(size))
#define _IOW_BAD(type,nr,size)	_IOC(_IOC_WRITE,(type),(nr),sizeof(size))
#define _IOWR_BAD(type,nr,size)	_IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE,(type),(nr),sizeof(size))

/* used to decode ioctl numbers.. */
#define _IOC_DIR(nr)		(((nr) >> _IOC_DIRSHIFT) & _IOC_DIRMASK)	//从命令参数中解析出数据方向，即写进还是读出
#define _IOC_TYPE(nr)		(((nr) >> _IOC_TYPESHIFT) & _IOC_TYPEMASK)	//从命令参数中解析出幻数type
#define _IOC_NR(nr)		(((nr) >> _IOC_NRSHIFT) & _IOC_NRMASK)	//从命令参数中解析出序数number
#define _IOC_SIZE(nr)		(((nr) >> _IOC_SIZESHIFT) & _IOC_SIZEMASK)	//从命令参数中解析出用户数据大小

/* ...and for the drivers/sound files... */

#define IOC_IN		(_IOC_WRITE << _IOC_DIRSHIFT)
#define IOC_OUT		(_IOC_READ << _IOC_DIRSHIFT)
#define IOC_INOUT	((_IOC_WRITE|_IOC_READ) << _IOC_DIRSHIFT)
#define IOCSIZE_MASK	(_IOC_SIZEMASK << _IOC_SIZESHIFT)
#define IOCSIZE_SHIFT	(_IOC_SIZESHIFT)

#endif /* _ASM_GENERIC_IOCTL_H */

我的理解：

假如我定义了一个命令MY_CMD:

#define MY_CMD_MAGIC 0xdf              //type字段，由于字段宽度为8 bits，所以不能大于0xff

#define MY_CMD  _IOW(MY_CMD_MAGIC,0,unsigned int)

于是有命令MY_CMD各组成字段（dir，size，type，nr）分别为：01(=_IOC_WRITE),00 0000 0000 0100(=sizeof(unsigned int)),1101 1111(=MY_CMD_MAGIC),0000 0000(=0)。用十六进制表示即0x4004df00。这个32 bits的“整数“就是该命令的编号（LDD3原文是command number），也就是命令MY_CMD在系统中的“身份证号码”了！

为什么上面我用“身份证号码”作比喻呢？众所周知，一个国家里所有公民的身份证号都是各不相同的。身份证编号有一定的规则：即把身份证号划分成几个字段，各段位 数可不等，每个字段编码都有它的实际意义，例如我们现在用的的身份证前N位（不记得具体是多少了）表示一个具体的省、市、等地区，不同地区的人该字段肯定 不同了;另外有个表示出生年月的字段（据说以前整个号码最后一位偶数表示男性，奇数表示女性，现在貌似没这个规则了，此为题外话）。

类似地，我们要为系统里所有的IOCTL命令编号。我们身份证用的是15（上一代是18位）位十进制数编码（最后一位可能是拉丁字母）;我们用32位二进 制数为IOCTL命令编码，把它划分成4个字段，每段也有它的实际意义。要保证每个命令编号为系统唯一，主要靠命令的type和nr字段。我们称type 字段内容为magic number，即幻数，<font color="red"它表示命令的类型</font>。

看到上段红色这句话，我想可能有细心的人会问：“那么命令到底有哪些类型呢？”老实说我也不知道正确答案。大概因为大家都知道基本数据类型有整形、浮点型、字符型...人的性格类型有外向型、内向型...这些我们常见的类型都是可以用文字来枚举描述的，所以潜意识就觉得有类型就应该有文字可描述吧。回到正题，我想每个magic number，就像上面的宏定义中：#define MY_CMD_MAGIC 0xdf，MY_CMD_MAGIC就是类型名了吧！不知道我的想法对不对？！反正大家知道一个magic number就对应唯一一种命令类型就是了。LDD原文中有一段：

type
The magic number. Just choose one number (after consulting ioctl-number.txt)
and use it throughout the driver. This field is eight bits wide (_IOC_TYPEBITS).

原文是说type的内容叫幻数（magic number），强调它是一个8位二进制数（number）。

因此不同type的命令就有不同的magic number，因此命令编码自然就不同了。但如果两个命令type相同，它们的magic number就相同，于是就不能仅靠type字段区分了。于是nr字段就起作用了：

number
The ordinal (sequential) number. It’s eight bits (_IOC_NRBITS) wide.

nr（number）即序号，一般地我们从0开始编号。由于nr字段为8位二进制数，所以nr的取值范围为0~255。同一种type的命令每个nr值对应唯一一个命令。

其他两个字段在这里不作深究。

值得一提的是LDD3里这么一段话：

The header also defines macros that may be used in your driver to decode the num-
bers: _IOC_DIR(nr), _IOC_TYPE(nr), _IOC_NR(nr), and _IOC_SIZE(nr). We won’t go
into any more detail about these macros because the header file is clear, and sample
code is shown later in this section.

根据ioctl.h文件的定义，很明显_IOC_DIR(nr), _IOC_TYPE(nr), _IOC_NR(nr),_IOC_SIZE(nr)这几个宏里面的参数就是一个IOCTL命令，即一个32位的二进制数，而文件中参数居然用nr表示！ 当然用nr表示不是逻辑上的错误。但是别忘了文件中还有_IOW(type,nr,size)这样的定义IOCTL命令的宏，这其中的参数nr是 IOCTL命令编号中的一个nr字段，一个8位的二进制数！我想很多新人都会对此产生莫大的疑惑！所以我认为把_IOC_DIR(nr), _IOC_TYPE(nr), _IOC_NR(nr),_IOC_SIZE(nr)这几个解码宏的参数改用cmd表示更恰当！
但是，我知道这不是LDD3作者的错，因为内核头文件里面也是这么表示的。我想内核开发者不可能没意识到这个问题。因此，我猜测这其中肯定有个历史原因： 大概以前版本的命令不管type是否一样，nr字段的值都是唯一的，于是仅靠nr字段就可以解码出一个IOCTL命令的其他字段吧？！但即使这样 _IOC_DIR(nr), _IOC_TYPE(nr), _IOC_NR(nr),_IOC_SIZE(nr)也没必要保留这种写法啊！到底谁可以告诉我真相？

LDD3没有对_IOC_DIR(nr), _IOC_TYPE(nr), _IOC_NR(nr),_IOC_SIZE(nr)里面的nr作任何解释，只是实例中有如下用法：

if (_IOC_TYPE(cmd) != SCULL_IOC_MAGIC) return -ENOTTY;
if (_IOC_NR(cmd) > SCULL_IOC_MAXNR) return -ENOTTY;

可见那个nr参数完全就是我所说的32位的IOCTL命令编码。靠，既然这样好歹也对着个confusion作一下简单的解释啊！如果LDD3一书那“既 不承认，也不否认”的暧昧态度让我真让我哭笑不得的话，那么国内某书（具体哪本我就不说了）简直令我抓狂，我摘书中的两段话如下：

_IO(type,nr):定义一个没有数据传输的命令编号。type为幻数，nr为命令编号...
...
_IOC_DIR(nr): 获得命令编号的命令传输方向（direction）。这个宏的参数就是命令编号。

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