我這里說的ioctl函數(shù)是在驅動程序里的，因為我不知道還有沒有別的場合用到了ioctl， 所以就規(guī)定了我們討論的范圍。為什么要寫篇文章呢，是因為我前一陣子被ioctl給搞混了，這幾天才弄明白它，于是在這里清理一下頭腦。
一、 什么是ioctl。
ioctl是設備驅動程序中對設備的I/O通道進行管理的函數(shù)。所謂對I/O通道進行管理，就是對設備的一些特性進行控制，例如串口的傳輸波特率、馬達的轉速等等。它的調用個數(shù)如下：
int ioctl(int fd, ind cmd, …)；
其中fd就是用戶程序打開設備時使用open函數(shù)返回的文件標示符，cmd就是用戶程序對設備的控制命令，至于后面的省略號，那是一些補充參數(shù)，一般最多一個，有或沒有是和cmd的意義相關的。
ioctl函數(shù)是文件結構中的一個屬性分量，就是說如果你的驅動程序提供了對ioctl的支持，用戶就可以在用戶程序中使用ioctl函數(shù)控制設備的I/O通道。
二、 ioctl的必要性
如果不用ioctl的話，也可以實現(xiàn)對設備I/O通道的控制，但那就是蠻擰了。例如，我們可以在驅動程序中實現(xiàn)write的時候檢查一下是否有特殊約定的數(shù)據(jù)流通過，如果有的話，那么后面就跟著控制命令（一般在socket編程中常常這樣做）。但是如果這樣做的話，會導致代碼分工不明，程序結構混亂，程序員自己也會頭昏眼花的。
所以，我們就使用ioctl來實現(xiàn)控制的功能。要記住，用戶程序所作的只是通過命令碼告訴驅動程序它想做什么，至于怎么解釋這些命令和怎么實現(xiàn)這些命令，這都是驅動程序要做的事情。
三、 ioctl如何實現(xiàn)
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，所以我這里是不可能把它說得非常清楚了，不過如果有讀者對用戶程序怎么和驅動程序聯(lián)系起來感興趣的話，可以看我前一陣子寫的《write的奧秘》。讀者只要把write換成ioctl，就知道用戶程序的ioctl是怎么和驅動程序中的ioctl實現(xiàn)聯(lián)系在一起的了。
我這里說一個大概思路，因為我覺得《Linux設備驅動程序》這本書已經說的非常清楚了，但是得化一些時間來看。
在驅動程序中實現(xiàn)的ioctl函數(shù)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。怎么實現(xiàn)這些操作，這是每一個程序員自己的事情，因為設備都是特定的，這里也沒法說。關鍵在于怎么樣組織命令碼，因為在ioctl中命令碼是唯一聯(lián)系用戶程序命令和驅動程序支持的途徑。
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設備是一一對應的，這樣才不會將正確的命令發(fā)給錯誤的設備，或者是把錯誤的命令發(fā)給正確的設備，或者是把錯誤的命令發(fā)給錯誤的設備。這些錯誤都會導致不可預料的事情發(fā)生，而當程序員發(fā)現(xiàn)了這些奇怪的事情的時候，再來調試程序查找錯誤，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：
____________________________________
| 設備類型 | 序列號 | 方向 |數(shù)據(jù)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(shù)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(jù)便于理解的字符串生成命令碼，或者是從命令碼得到一些用戶可以理解的字符串以標明這個命令對應的設備類型、設備序列號、數(shù)據(jù)傳送方向和數(shù)據(jù)傳輸尺寸。
這些宏我就不在這里解釋了，具體的形式請讀者察看Linux核心源代碼中的和，文件里給除了這些宏完整的定義。這里我只多說一個地方，那就是"幻數(shù)"。
幻數(shù)是一個字母，數(shù)據(jù)長度也是8，所以就用一個特定的字母來標明設備類型，這和用一個數(shù)字是一樣的，只是更加利于記憶和理解。就是這樣，再沒有更復雜的了。
更多的說了也沒有，讀者還是看一看源代碼吧，推薦各位閱讀《Linux 設備驅動程序》所帶源代碼中的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(jié)。
四、 cmd參數(shù)如何得出
這里確實要說一說，cmd參數(shù)在用戶程序端由一些宏根據(jù)設備類型、序列號、傳送方向、數(shù)據(jù)尺寸等生成，這個整數(shù)通過系統(tǒng)調用傳遞到內核中的驅動程序，再由驅動程序使用解碼宏從這個整數(shù)中得到設備的類型、序列號、傳送方向、數(shù)據(jù)尺寸等信息，然后通過switch{case}結構進行相應的操作。
要透徹理解，只能是通過閱讀源代碼，我這篇文章實際上只是一個引子。Cmd參數(shù)的組織還是比較復雜的，我認為要搞熟它還是得花不少時間的，但是這是值得的，驅動程序中最難的是對中斷的理解。
五、 小結
ioctl其實沒有什么很難的東西需要理解，關鍵是理解cmd命令碼是怎么在用戶程序里生成并在驅動程序里解析的，程序員最主要的工作量在switch{case}結構中，因為對設備的I/O控制都是通過這一部分的代碼實現(xiàn)的。
一般的說，,用戶空間的IOCTL系統(tǒng)調用如下所示: ioctl(int fd, int command, (char *) argstruct)因為這個調用擁有與網(wǎng)絡相關的代碼,所以文件描述符號fd就是socket()系統(tǒng)調用所返回的,而command參數(shù)可以是/usr/include/linux/sockios.h頭文件中的任何一個,這些個命令根據(jù)它可以解決的問題所涉及的方面被分為多種的類型.
比如:
改變路由表（SIOCADDRT, SIOCDELRT）
讀取或更新ARP/RARP緩存（SIOCDARP, SIOCSRARP）
一般的和網(wǎng)絡有關的函數(shù)（SIOCGIFNAME, SIOCSIFADDR等等）
Goodies目錄中包含了很多展示ioctl用法的示例程序,看這些程序的時候,注意根據(jù)ioctl的命令類型來學習具體的調用參數(shù)結構,比如:和路由表相關的IOCTL用RTENTRY結構, rtentry結構是被定義在/usr/include/linux/route.h文件中的，再一個和ARP相關的ioctl調用用到的arpreq結構被定義在/usr/include/linux/if_arp.h文件之中.網(wǎng)絡接口相關的ioctl命令最具有代表性的特征為都是以S或G開頭,其實就是設置或得到數(shù)據(jù), getifinfo.c程序用這些命令去讀取IP地址信息,硬件地址信息，廣播地址信息,和與網(wǎng)絡接口相關的標志.對于這些ioctl,第三個參數(shù)是一個IFREQ結構體,這個結構體被定義在/usr/include/linux/if.h頭文件中,在一些情況下,新的ioctl命令可能被需要（除了在那個頭文件中被定義的之外）,比如 WAVELAN無線網(wǎng)卡保持著無線信號強度的信息,這些信西可能要 對用戶程序有用.用戶程序是怎么訪問到這些信息的呢?我們的第一反應就是定義一個新的命令在sockios.h頭文件中，比如SIOCGIFWVLNSS,不幸的是,這個命令在其他的網(wǎng)絡接口上是根本沒有意義的,另外試圖在其他接口上用這個名另而并非是在無線網(wǎng)口上用會出現(xiàn)違規(guī)訪問,我們需要的是定義新特性接口命令的機理。幸運的是,LINUX操作系統(tǒng)為此目的內置了鉤子,如果你再看一下那個頭文件sockios.h你會注意到每一個設備都有一個預定義的SIOCDEVPRIVATE命令，實現(xiàn)它的任務就全權交給了寫這個設備驅動的程序員了.根據(jù)常規(guī)約定,一個用戶程序調用一個特定的ioctl命令如下: ioctl(sockid, SIOCDEVPRIVATE, (char *) &ifr)這里ifr是一個ifreq結構體變量,它用一個和這個設備聯(lián)系的接口名稱填充ifr的ifr NAME域,比如,前述的無線網(wǎng)卡接口名稱為eth1。
不失一般性,一個用戶程序將同樣要與內核交換命令參數(shù)和操作結果,而這些已經通過一個域ifr.ifr_data的填充而做到了,比如,這個網(wǎng)卡的信號強度信息被返回到這個域當中。LINUX源代碼已經包含了兩個特殊設備de4x5和ewrk3,他們定義和實現(xiàn)了特殊的ioctl命令.,這些設備的源代碼在以下的文件中：de4x5.h, de4x5.c, ewrk3.h, ewrk3.c, 他們兩個設備都為在用戶空間和驅動間交換數(shù)據(jù)定義了他們自己的私有結構,在ioctl之前,用戶程序填充了需要的數(shù)據(jù)并且將ifr.ifr_data指向這個結構體.
我們在兩個驅動中走的更遠些從而進入代碼前,讓我們跟蹤一下處理ioctl系統(tǒng)調用的若干步驟,,所有接口類型的ioctl請求都導致dev_ioctl()被調用,這個ioctl僅僅是個包裝,大部分的真實的操作留給了dev_ifsioc().，這個dev_ioctl()要做的唯一一個事情就是檢查調用過程是否擁有合適的許可去核發(fā)這個命令，然后dev_ifsioc()首先要做的事情之一就是得到和名字域ifr.ifr_name中所對應的設備結構，這在一個很大的switch語塊的代碼后實現(xiàn)。
SIOCDEVPRIVATE命令和SIOCDEVPRIVATE+15的命令參數(shù)全部交給了默認操作,這些都是switch的分支語句.這里發(fā)生的是,內核檢查是否一個設備特殊的ioctl的回調已經在設備結構中被設置，這個回調是保持在設備結構中的一個函數(shù)指針。如果回調已經被設置了.內核就會調用它.
所以,為了實現(xiàn)一個特殊的ioctl,需要做的就是寫一個特殊ioctl的回調，然后讓device結構中的do_ioctl域指向它,對于EWK3設備，這個函數(shù)叫做ewrk3_ioctl(),對應的設備結構在ewrk3_init()中被初始化,ewrk3_ioctl()的代碼清晰的展示了ifr.ifr_data的作用 ,是為了在用戶程序和驅動之間交換信息。注意，內存的這個區(qū)域有雙方向交換數(shù)據(jù)的作用,例如,在ewrk3驅動代碼中,ifr.ifr_data最初的2個字節(jié)被用做向驅動傳遞預想要的動作。同樣第五個字節(jié)指向的緩沖區(qū)用于交換其他的信息。
當你瀏覽ewrk3_ioctl()代碼的時候,記住在一個應用中用戶空間的指令是無法訪問內核空間的,由于這個原因 ,2個特殊的步驟提供給了驅動編寫人員.他們是memcpy_tofs()和memcpy_fromfs()。內核里的做法是用memcpy_tofs() 拷貝內核數(shù)據(jù)到用戶空間,類似的memcpy_fromfs()也是這樣的,只是他拷貝用戶數(shù)據(jù)到內核空間.。這些程序步驟是由于調用verify_area()而被執(zhí)行的,目的是確認數(shù)據(jù)訪問不會違法。同樣記住printk()的用法是打印調試信息,這個函數(shù)和printf()很相象,但是它不能處理浮點數(shù)據(jù),printf()函數(shù)在內核中是不能被使用的。由printk()產生的輸出被轉儲到了一個目錄./usr/adm/messages。
linux系統(tǒng)ioctl使用示例
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程序1：檢測接口的 inet_addr,netmask,broad_addr
程序2：檢查接口的物理連接是否正常
程序3：更簡單一點測試物理連接
程序4：調節(jié)音量
***************************程序1****************************************
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <net/if.h>
static void usage(){
printf("usage : ipconfig interface \n");
exit(0);
}
int main(int argc,char **argv)
{
struct sockaddr_in *addr;
struct ifreq ifr;
char *name,*address;
int sockfd;
if(argc != 2)
usage();
else
name = argv[1];
sockfd = socket(AF_INET,SOCK_DGRAM,0);
strncpy(ifr.ifr_name,name,IFNAMSIZ-1);
if(ioctl(sockfd,SIOCGIFADDR,&ifr) == -1)
perror("ioctl error"),exit(1);
addr = (struct sockaddr_in *)&(ifr.ifr_addr);
address = inet_ntoa(addr->sin_addr);
printf("inet addr: %s ",address);
if(ioctl(sockfd,SIOCGIFBRDADDR,&ifr) == -1)
perror("ioctl error"),exit(1);
addr = (struct sockaddr_in *)&ifr.ifr_broadaddr;
address = inet_ntoa(addr->sin_addr);
printf("broad addr: %s ",address);
if(ioctl(sockfd,SIOCGIFNETMASK,&ifr) == -1)
perror("ioctl error"),exit(1);
addr = (struct sockaddr_in *)&ifr.ifr_addr;
address = inet_ntoa(addr->sin_addr);
printf("inet mask: %s ",address);
printf("\n");
exit(0);
}
******************************** 程序2*****************************************************
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <fcntl.h>
#include <getopt.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <net/if.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
typedef unsigned short u16;
typedef unsigned int u32;
typedef unsigned char u8;
#include <linux/ethtool.h>
#include <linux/sockios.h>
int detect_mii(int skfd, char *ifname)
{
struct ifreq ifr;
u16 *data, mii_val;
unsigned phy_id;
/* Get the vitals from the interface. */
strncpy(ifr.ifr_name, ifname, IFNAMSIZ);
if (ioctl(skfd, SIOCGMIIPHY, &ifr) < 0)
{
fprintf(stderr, "SIOCGMIIPHY on %s failed: %s\n", ifname,
strerror(errno));
(void) close(skfd);
return 2;
}
data = (u16 *)(&ifr.ifr_data);
phy_id = data[0];
data[1] = 1;
if (ioctl(skfd, SIOCGMIIREG, &ifr) < 0)
{
fprintf(stderr, "SIOCGMIIREG on %s failed: %s\n", ifr.ifr_name,
strerror(errno));
return 2;
}
mii_val = data[3];
return(((mii_val & 0x0016) == 0x0004) ? 0 : 1);
}
int detect_ethtool(int skfd, char *ifname)
{
struct ifreq ifr;
struct ethtool_value edata;
memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
edata.cmd = ETHTOOL_GLINK;
strncpy(ifr.ifr_name, ifname, sizeof(ifr.ifr_name)-1);
ifr.ifr_data = (char *) &edata;
if (ioctl(skfd, SIOCETHTOOL, &ifr) == -1)
{
printf("ETHTOOL_GLINK failed: %s\n", strerror(errno));
return 2;
}
return (edata.data ? 0 : 1);
}
int main(int argc, char **argv)
{
int skfd = -1;
char *ifname;
int retval;
if( argv[1] )
ifname = argv[1];
else
ifname = "eth0";
/* Open a socket. */
if (( skfd = socket( AF_INET, SOCK_DGRAM, 0 ) ) < 0 )
{
printf("socket error\n");
exit(-1);
}
retval = detect_ethtool(skfd, ifname);
if (retval == 2)
retval = detect_mii(skfd, ifname);
close(skfd);
if (retval == 2)
printf("Could not determine status\n");
if (retval == 1)
printf("Link down\n");
if (retval == 0)
printf("Link up\n");
return retval;
}
*******************************程序3*****************************************************
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <net/if.h>
#include <linux/sockios.h>
#include <sys/ioctl.h>
#define LINKTEST_GLINK 0x0000000a
struct linktest_value {
unsigned int cmd;
unsigned int data;
};
static void usage(const char * pname)
{
fprintf(stderr, "usage: %s <device>\n", pname);
fprintf(stderr, "returns: \n");
fprintf(stderr, "\t 0: link detected\n");
fprintf(stderr, "\t%d: %s\n", ENODEV, strerror(ENODEV));
fprintf(stderr, "\t%d: %s\n", ENONET, strerror(ENONET));
fprintf(stderr, "\t%d: %s\n", EOPNOTSUPP, strerror(EOPNOTSUPP));
exit(EXIT_FAILURE);
}
static int linktest(const char * devname)
{
struct ifreq ifr;
struct linktest_value edata;
int fd;
/* setup our control structures. */
memset(&ifr, 0, sizeof(ifr));
strcpy(ifr.ifr_name, devname);
/* open control socket. */
fd=socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
if(fd < 0 ) {
return -ECOMM;
}
errno=0;
edata.cmd = LINKTEST_GLINK;
ifr.ifr_data = (caddr_t)&edata;
if(!ioctl(fd, SIOCETHTOOL, &ifr)) {
if(edata.data) {
fprintf(stdout, "link detected on %s\n", devname);
return 0;
} else {
errno=ENONET;
}
}
perror("linktest");
return errno;
}
int main(int argc, char *argv[])
{
if(argc != 2) {
usage(argv[0]);
}
return linktest(argv[1]);
}
*************************************程序4*********************************************************
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/soundcard.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <math.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#define BASE_VALUE 257
int main(int argc,char *argv[])
{
int mixer_fd=0;
char *names[SOUND_MIXER_NRDEVICES]=SOUND_DEVICE_LABELS;
int value,i;
printf("\nusage:%s dev_no.[0..24] value[0..100]\n\n",argv[0]);
printf("eg. %s 0 100\n",argv[0]);
printf(" will change the volume to MAX volume.\n\n");
printf("The dev_no. are as below:\n");
for (i=0;i<SOUND_MIXER_NRDEVICES;i++){
if (i%3==0) printf("\n");
printf("%s:%d\t\t",names[i],i);
}
printf("\n\n");
if (argc<3)
exit(1);
if ((mixer_fd = open("/dev/mixer",O_RDWR))){
printf("Mixer opened successfully,working...\n");
value=BASE_VALUE*atoi(argv[2]);
if (ioctl(mixer_fd,MIXER_WRITE(atoi(argv[1])),&value)==0)
printf("successfully.....");
else printf("unsuccessfully.....");
printf("done.\n");
}else
printf("can‘t open /dev/mixer error....\n");
exit(0);
}
