Linux嵌入式驱动开发13——ioctl接口（gpio控制使用）

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Linux嵌入式驱动开发03——杂项设备驱动（附源码）

Linux嵌入式驱动开发04——应用层和内核层数据传输

Linux嵌入式驱动开发05——物理地址到虚拟地址映射

Linux嵌入式驱动开发06——第一个相对完整的驱动实践编写

Linux嵌入式驱动开发07——GPIO驱动过程记录（飞凌开发板）

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Linux嵌入式驱动开发09——平台总线详解及实战

Linux嵌入式驱动开发10——设备树开发详解

Linux嵌入式驱动开发11——平台总线模型修改为设备树实例

Linux嵌入式驱动开发12——pinctl和gpio子系统实践操作

Linux嵌入式驱动开发13——ioctl接口（gpio控制使用）

Linux嵌入式驱动开发14——中断的原理以及按键中断的实现（tasklet中断下文）

Linux嵌入式驱动开发15——等待队列和工作队列

Linux嵌入式驱动开发16——按键消抖实验（内核定时器）

Linux嵌入式驱动开发17——输入子系统

Linux嵌入式驱动开发18——I2C通信

引言

我们从平台总线模型，然后到pinctrl和gpio子系统，会发现步骤逐渐的规范，代码也逐渐的简单，也越来越能体会到linux屏蔽底层硬件的优势。

在之前的代码中，在write函数中往内核中写入数据。

并且在应用层传入内核层的过程，需要执行copy函数，对于我们这里只需要传入0或者1的少量数据来说，有些繁琐。

什么是unlocked_ioctl接口？

unlocked_ioctl就是ioctl接口，但是功能和对应的系统调用均没有发生变化

unlocked_ioctl和read/write函数有什么相同和不同

之前我们使用read/write函数完成写数据或者读数据的操作，ioctl函数也可以往内核中写入命令。

不同点是read/write函数是两个单独的函数，完成单一的读或者写功能，我们的ioctl函数，既可以读，也可以写。

不过read/write函数在读写大数据时候效率比较高。

所以，对于gpio控制led灯或者蜂鸣器等操作时，我们不需要大量的数据读写，可以使用ioctl函数，来简化，而read/write函数专职于大量数据的传输。

unlocked_ioctl接口命令规则

unlocked_ioctl总共32位

第一个分区 0-7，命令的编号，范围是0-255

第二个分区 8-15 命令的幻数。

（第一个分区和第二个分区主要作用就是用来区分命令的。）

第三个分区 16-29 表示传递的数据大小

第四个分区 30-31 代表读写的方向
00：表示用户程序和驱动数据没有数据传递
10：表示用户程序从驱动里面读取数据
01：表示用户程序向驱动里面写入数据
11：先写数据到驱动，然后再从驱动把数据读出来（不常用）

命令的合成宏与分解宏

合成宏

分解宏

测试程序

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#include 

#define CMD_TEST0 _IO('L', 0)                       // 'L'是幻数 0是编号
#define CMD_TEST1 _IO('L', 1)
#define CMD_TEST2 _IOW('L', 2, int)                 // 第三个参数size，不是数据大小，而是数据类型，这里是四个字节的话，就是int
#define CMD_TEST3 _IOR('L', 3, int)                 // 这四个命令幻数虽然一样，但是编号不同，所以不同。


int main(int argc, char *argv[])
{
    printf("30-31 is %d\n", _IOC_DIR(CMD_TEST0));
    printf("30-31 is %d\n", _IOC_DIR(CMD_TEST3));

    return 0;
}

我们先来测试一下代码的功能，这里使用_IOC_DIR分解命令的方向，CMD_TEST0是定义命令编号，没有数据操作，所以_IOC_DIR分解后30-31的数据应该是00

CMD_TEST3是_IOR(‘L’, 3, int)，是读取，所以分解后应该读到是读对应的10，对应十进制也就是2

接下来继续测试_IOC_TYPE函数

    printf("8-15 is %c\n", _IOC_TYPE(CMD_TEST0));
    printf("8-15 is %c\n", _IOC_TYPE(CMD_TEST1));

执行后可以看到返回了8-15位的幻数

printf("编号 0-7 is %d\n", _IOC_NR(CMD_TEST2));

使用_IO

模拟一个闪灯的操作

module_leds.c

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define CMD_TEST0 _IO('L', 0)                       // 'L'是幻数 0是编号
#define CMD_TEST1 _IO('L', 1) 

int misc_open (struct inode *inode, struct file *file){
    
    printk("hello misc_open!!!\n");
    return 0;
}

int misc_release(struct inode *inode, struct file *file){

    printk("bye bye misc_release!!!\n");

    return 0;

}

ssize_t misc_read(struct file *file, const char __user *ubuf, size_t size, loff_t *loff_t){
    
    char kbuf[64] = "copy to user!!!\n";

    if( copy_to_user(ubuf, kbuf, size) != 0 ){
        printk("copy_to_user error!!!\n");
        return -1;
    }

    printk("hello misc_read!!!\n");

    return 0;
}

ssize_t misc_write(struct file *file, const char __user *ubuf, size_t size, loff_t *loff_t){
    
    char kbuf[64] = "copy from user!!!\n";
    printk("hello misc_write!!!\n");
    if( copy_from_user(kbuf, ubuf, size) != 0 ){
        printk("copy_from_user error!!!\n");
        return -1;
    }
    printk("buf is:%s\n", kbuf);

    return 0;
}

long misc_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long value)
{
    switch (cmd)
    {
    case CMD_TEST0:
        printk("LED_ON!!!\n");
    case CMD_TEST1:
        printk("LED_OFF!!!\n");
        break;
    
    default:
        break;
    }

    return 0;
}

struct file_operations misc_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = misc_open,
    .release = misc_release,
    .read = misc_read,
    .write = misc_write,
    .unlocked_ioctl = misc_ioctl,
};

struct miscdevice misc_dev = {
    .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
    .name = "hello_misc",
    .fops = &misc_fops
};


static int misc_init(void)
{
    int ret;

    ret = misc_register(&misc_dev);

    if(ret < 0){
        printk("misc_register failed!!!\n");
        return -1;
    }

    printk("misc_register succeed!!!\n");           // 在内核中无法使用c语言库，所以不用printf

    return 0;
}

static void misc_exit(void)
{
    misc_deregister(&misc_dev);


    printk("misc exit!!!\n");
}

module_init(misc_init);
module_exit(misc_exit);


MODULE_LICENSE("GPL");              //声明模块拥有开源许可

Makefile

# 开发板Linux内核的实际路径 
# KDIR变量
KDIR:=/work/linux-4.1.15

#  获取当前目录
PWD:=$(shell pwd)

# obj-m表示将 chrdevbase.c这个文件 编译为 chrdevbase.ko模块。
obj-m += module_leds.o

# 编译成模块
all:
	make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules

clean:
	make -C $(KDIR) M=$(PWD) clean

app.c

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#include 

#define CMD_TEST0 _IO('L', 0)                       // 'L'是幻数 0是编号
#define CMD_TEST1 _IO('L', 1) 

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd;

    char buff[64] = {0};

    fd = open("/dev/hello_misc", O_RDWR);       // 打开节点时候触发open函数

    if(fd < 0){

        perror("open error\n");                 // perror在应用中打印
        return fd;
    }
    while(1){
        ioctl(fd, CMD_TEST0);                   // 触发驱动中的.unlocked_ioctl
        sleep(2);
        ioctl(fd, CMD_TEST1);
        sleep(2);
    }

    return 0;
}

结果

在测试结果中可以看到每次ioctl都会进入到驱动中的misc_ioctl中进行判断，然后打印出来预期的结果

使用_IOW

这里只修改了两个地方的代码
module_leds.c

long misc_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long value)
{
    switch (cmd)
    {
    case CMD_TEST2:
        printk("LED_ON!!!\n");
        printk("value is %d\n", value);
        break;
    case CMD_TEST3:
        printk("LED_OFF!!!\n");
        printk("value is %d\n", value);
        break;
    
    default:
        break;
    }

    return 0;
}

app.c

    while(1){
        ioctl(fd, CMD_TEST2, 0);                   // 触发驱动中的.unlocked_ioctl
        sleep(2);                               // 每隔两秒钟
        ioctl(fd, CMD_TEST3, 1);
        sleep(2);
    }

这里的一一对应的关系如图所示

这样，我们的实验结果就是，可以正常的写入数据

使用_IOR

有些时候我们需要读取按键的值，或者引脚的状态，使用_IOR就会很方便

在应用函数里，设置如下，传入value的地址到ioctl函数

    while(1){
        ioctl(fd, CMD_TEST4, &value);                   // 触发驱动中的.unlocked_ioctl
        printf("app value is %d\n", value);
        sleep(2);                               // 每隔两秒钟

    }

在驱动函数中，依然要使用copy_to_user函数，复制数据从底层到应用层中，所以，在这里第一个参数就是应用层的value的地址，因为是int型指针，所以要强制转换一下，然后第二个参数就是底层的val值，第三个就是底层val的长度大小

    case CMD_TEST4:
        val = 12;
        if( copy_to_user((int *)value, &val, sizeof(val)) != 0 ){
            printk("copy_to_user error!!!\n");
            return -1;
        }
        break;

实验结果

我们程序中的val可以替换为底层io口的状态。

完整代码

module_leds.c

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define CMD_TEST0 _IO('L', 0)                       // 'L'是幻数 0是编号
#define CMD_TEST1 _IO('L', 1) 

#define CMD_TEST2 _IOW('L', 2, int) 
#define CMD_TEST3 _IOW('L', 3, int) 

#define CMD_TEST4 _IOR('L', 4, int) 

int misc_open (struct inode *inode, struct file *file){
    
    printk("hello misc_open!!!\n");
    return 0;
}

int misc_release(struct inode *inode, struct file *file){

    printk("bye bye misc_release!!!\n");

    return 0;

}

ssize_t misc_read(struct file *file, const char __user *ubuf, size_t size, loff_t *loff_t){
    
    char kbuf[64] = "copy to user!!!\n";

    if( copy_to_user(ubuf, kbuf, size) != 0 ){
        printk("copy_to_user error!!!\n");
        return -1;
    }

    printk("hello misc_read!!!\n");

    return 0;
}

ssize_t misc_write(struct file *file, const char __user *ubuf, size_t size, loff_t *loff_t){
    
    char kbuf[64] = "copy from user!!!\n";
    printk("hello misc_write!!!\n");
    if( copy_from_user(kbuf, ubuf, size) != 0 ){
        printk("copy_from_user error!!!\n");
        return -1;
    }
    printk("buf is:%s\n", kbuf);

    return 0;
}

long misc_ioctl(struct file *file, unsigned int cmd, unsigned long value)
{
    int val;
    switch (cmd)
    {
    case CMD_TEST2:
        printk("LED_ON!!!\n");
        printk("value is %d\n", value);
        break;
    case CMD_TEST3:
        printk("LED_OFF!!!\n");
        printk("value is %d\n", value);
        break;
    case CMD_TEST4:
        val = 12;
        if( copy_to_user((int *)value, &val, sizeof(val)) != 0 ){
            printk("copy_to_user error!!!\n");
            return -1;
        }
        break;
    
    default:
        break;
    }

    return 0;
}

struct file_operations misc_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = misc_open,
    .release = misc_release,
    .read = misc_read,
    .write = misc_write,
    .unlocked_ioctl = misc_ioctl,
};

struct miscdevice misc_dev = {
    .minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
    .name = "hello_misc",
    .fops = &misc_fops
};


static int misc_init(void)
{
    int ret;

    ret = misc_register(&misc_dev);

    if(ret < 0){
        printk("misc_register failed!!!\n");
        return -1;
    }

    printk("misc_register succeed!!!\n");           // 在内核中无法使用c语言库，所以不用printf

    return 0;
}

static void misc_exit(void)
{
    misc_deregister(&misc_dev);


    printk("misc exit!!!\n");
}

module_init(misc_init);
module_exit(misc_exit);


MODULE_LICENSE("GPL");              //声明模块拥有开源许可

app.c

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#include 

#define CMD_TEST0 _IO('L', 0)                       // 'L'是幻数 0是编号
#define CMD_TEST1 _IO('L', 1) 

#define CMD_TEST2 _IOW('L', 2, int) 
#define CMD_TEST3 _IOW('L', 3, int) 

#define CMD_TEST4 _IOR('L', 4, int) 

int main(int argc, char *argv[])
{
    int fd;

    int value;

    fd = open("/dev/hello_misc", O_RDWR);       // 打开节点时候触发open函数

    if(fd < 0){

        perror("open error\n");                 // perror在应用中打印
        return fd;
    }
    while(1){
        ioctl(fd, CMD_TEST4, &value);                   // 触发驱动中的.unlocked_ioctl
        printf("app value is %d\n", value);
        sleep(2);                               // 每隔两秒钟

    }

    return 0;
}