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linux设备驱动归纳总结(三):4.ioctl的实现

2015年03月08日 驱动开发 ⁄ 共 12136字 ⁄ 字号 评论 1 条 ⁄ 阅读 137 次

在网上看到的,讲的不错,遂转载过来。原文地址:http://blog.chinaunix.net/uid-25014876-id-59419.html

 

一、ioctl的简介:

虽然在文件操作结构体"struct file_operations"中有很多对应的设备操作函数,但是有些命令是实在找不到对应的操作函数。如CD-ROM的驱动,想要一个弹出光驱的操作,这种操作并不是所有的字符设备都需要的,所以文件操作结构体也不会有对应的函数操作。

出于这样的原因,ioctl就有它的用处了————一些没办法归类的函数就统一放在ioctl这个函数操作中,通过指定的命令来实现对应的操作。所以,ioctl函数里面都实现了多个的对硬件的操作,通过应用层传入的命令来调用相应的操作。

来个图来说一下应用层与驱动函数的ioctl之间的联系:

应用层与驱动函数的ioctl之间的联系

应用层与驱动函数的ioctl之间的联系

上面的图可以看出,fd通过内核后找到对应的inodefile结构体指针并传给驱动函数,而另外两个参数却没有修改(类型改了没什么关系)

简单介绍一下函数:


int (*ioctl) (struct inode * node, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg);

参数:

1)inode和file:ioctl的操作有可能是要修改文件的属性,或者访问硬件。要修改

文件属性的话,就要用到这两个结构体了,所以这里传来了它们的指针。

2)cmd:命令,接下来要长篇大论地说。

3)arg:参数,接下来也要长篇大论。

返回值:

1)如果传入的非法命令,ioctl返回错误号-EINVAL。

2)内核中的驱动函数返回值都有一个默认的方法,只要是正数,内核就会傻乎乎的认为这是正确的返回,并把它传给应用层,如果是负值,内核就会认为它是错误号了。

Ioctl里面多个不同的命令,那就要看它函数的实现来决定返回值了。打个比方,如果ioctl里面有一个类似read的函数,那返回值也就可以像read一样返回。

当然,不返回也是可以的。

二、ioctlcmd

说白了,cmd就是一个数,如果应用层传来的数值在驱动中有对应的操作,这样就就可以了。

来个最简单的ioctl实现:3rd_char_4/1st

1)要先定义个命令,就用一个简单的0,来个命令的头文件,驱动和应用函数都要包含这个头文件


/*test_cmd.h*/

#ifndef _TEST_CMD_H

#define _TEST_CMD_H

 

#define TEST_CLEAR 0

 

#endif /*_TEST_CMD_H*/

2)驱动实现ioctl

命令TEST_CLEAR的操作就是清空驱动中的kbuf


int test_ioctl (struct inode *node, struct file *filp, unsigned int cmd, uns igned long arg)

{

int ret = 0;

struct _test_t *dev = filp->private_data;

switch(cmd){

case TEST_CLEAR:

memset(dev->kbuf, 0, DEV_SIZE);

dev->cur_size = 0;

filp->f_pos = 0;

ret = 0;

break;

default: /*命令错误时的处理*/

P_DEBUG("error cmd!\n");

ret = - EINVAL;

break;

}

return ret;

}

3)再来个应用程序:


#include <stdio.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

#include <sys/ioctl.h>

#include "test_cmd.h"

int main(void)

{

char buf[20];

int fd;

int ret;

fd = open("/dev/test", O_RDWR);

if(fd < 0)

{

perror("open");

return -1;

}

write(fd, "techbulo", 8); //1先写入

ioctl(fd, TEST_CLEAR); //2再清空

ret = read(fd, buf, 8); //3再验证

if(ret < 0)

{

perror("read");

}

close(fd);

return 0;

}

注:这里为了read返回出错,我修改了驱动的readwrite函数的开始时的第一个判断

4)验证一下:


[root: 1st]# insmod test.ko

major[253] minor[0]

hello kernel

[root: 1st]# mknod /dev/test c 253 0

[root: 1st]# ./app

<kernel>[test_write]write 8 bytes, cur_size:[8]

<kernel>[test_write]kbuf is [techbulo]

read: No such device or address //哈哈!出错了!因为没数据读取。

按照上面的方法来定义一个命令是完全可以的,但内核开发人员发现这样有点不对劲。

如果有两个不同的设备,但它们的ioctlcmd却一样的,哪天有谁不小心打开错了,并且调用ioctl,这样就完蛋了。因为这个文件里面同样有cmd对应实现。

为了防止这样的事情发生,内核对cmd又有了新的定义,规定了cmd都应该不一样。

三、ioctl中的cmd

一个cmd被分为了4个段,每一段都有各自的意义,cmd的定义在<linux/ioctl.h>。注:但实际上<linux/ioctl.h>中只是包含了<asm/ioctl.h>,这说明了这是跟平台相关的,ARM的定义在<arch/arm/include/asm/ioctl.h>,但这文件也是包含别的文件<asm-generic/ioctl.h>,千找万找,终于找到了。

<asm-generic/ioctl.h>中,cmd拆分如下:

cmd拆分

cmd拆分

解释一下四部分,全部都在<asm-generic/ioctl.h>ioctl-number.txt这两个文档有说明。

1)幻数:说得再好听的名字也只不过是个0~0xff的数,占8bit(_IOC_TYPEBITS)。这个数是用来区分不同的驱动的,像设备号申请的时候一样,内核有一个文档给出一些推荐的或者已经被使用的幻数。


/*Documentation/ioctl/ioctl-number.txt*/

'w' all CERN SCI driver

'y' 00-1F packet based user level communications

<mailto:zapman@interlan.net>

'z' 00-3F CAN bus card

<mailto:hdstich@connectu.ulm.circular.de>

'z' 40-7F CAN bus card

<mailto:oe@port.de>

可以看到'x'是还没有人用的,我就拿这个当幻数!

2)序数:用这个数来给自己的命令编号,占8bit(_IOC_NRBITS),我的程序从1开始排序。

3)数据传输方向:占2bit(_IOC_DIRBITS)。如果涉及到要传参,内核要求描述一下传输的方向,传输的方向是以应用层的角度来描述的。

1)_IOC_NONE:值为0,无数据传输。

2)_IOC_READ:值为1,从设备驱动读取数据。

3)_IOC_WRITE:值为2,往设备驱动写入数据。

4)_IOC_READ|_IOC_WRITE:双向数据传输。

4)数据大小与体系结构相关ARM下占14bit(_IOC_SIZEBITS),如果数据是int,内核给这个赋的值就是sizeof(int)

强调一下,内核是要求按这样的方法把cmd分类,当然你也可以不这样干,这只是为了迎合内核的要求,让自己的程序看上去很正宗。上面的程序没按要求照样运行。

既然内核这样定义cmd,就肯定有方法让用户方便定义:


_IO(type,nr) //没有参数的命令

_IOR(type,nr,size) //该命令是从驱动读取数据

_IOW(type,nr,size) //该命令是从驱动写入数据

_IOWR(type,nr,size) //双向数据传输

上面的命令已经定义了方向,我们要传的是幻数(type)、序号(nr)和大小(size)。在这里szie的参数只需要填参数的类型,如int,上面的命令就会帮你检测类型的正确然后赋值sizeof(int)

有生成cmd的命令就必有拆分cmd的命令:


_IOC_DIR(cmd) //从命令中提取方向

_IOC_TYPE(cmd) //从命令中提取幻数

_IOC_NR(cmd) //从命令中提取序数

_IOC_SIZE(cmd) //从命令中提取数据大小

越讲就越复杂了,既然讲到这,随便就讲一下预定义命令。

预定义命令是由内核来识别并且实现相应的操作,换句话说,一旦你使用了这些命令,你压根也不要指望你的驱动程序能够收到,因为内核拿掉就把它处理掉了。

分为三类:

1)可用于任何文件的命令

2)只用于普通文件的命令

3)特定文件系统类型的命令

其实上面的我三类我也没搞懂,反正我自己随便编了几个数当命令都没出错,如果真的怕出错,那就不要用别人已经使用的幻数就行了。

讲了这么多,终于要上程序了,修改一下上一个程序,让它看起来比较有内涵。

/3rd_char/3rd_char_4/2nd

1)先改一下命令:


/*test_cmd.h*/

#ifndef _TEST_CMD_H

#define _TEST_CMD_H

#define TEST_MAGIC 'x' //定义幻数

#define TEST_MAX_NR 1 //定义命令的最大序数,只有一个命令当然是1

#define TEST_CLEAR _IO(TEST_MAGIC, 0)

#endif /*_TEST_CMD_H*/

2)既然这么辛苦改了cmd,在驱动函数当然要做一些参数检验:

/*test.c*/


int test_ioctl (struct inode *node, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)

{

int ret = 0;

struct _test_t *dev = filp->private_data;

/*既然这么费劲定义了命令,当然要检验命令是否有效*/

if(_IOC_TYPE(cmd) != TEST_MAGIC) return - EINVAL;

if(_IOC_NR(cmd) > TEST_MAX_NR) return - EINVAL;

switch(cmd){

case TEST_CLEAR:

memset(dev->kbuf, 0, DEV_SIZE);

dev->cur_size = 0;

filp->f_pos = 0;

ret = 0;

break;

default: /*命令错误时的处理*/

P_DEBUG("error cmd!\n");

ret = - EINVAL;

break;

}

return ret;

}

每个参数的传入都会先检验一下幻数还有序数是否正确。

3)应用程序的验证

结果跟上一个完全一样,因为命令的操作没有修改


[root: 2nd]# insmod test.ko

major[253] minor[0]

hello kernel

[root: 2nd]# mknod /dev/test c 253 0

[root: 2nd]# ./app

<kernel>[test_write]write 8 bytes, cur_size:[8]

<kernel>[test_write]kbuf is [techbulo]

read: No such device or address

五、ioctl中的arg之整数传参。

上面讲的例子都没有使用ioctl的传参。这里先要说一下ioctl传参的方式。

应用层的ioctl的第三个参数是"...",这个跟printf"..."可不一样,printf中是意味这你可以传任意个数的参数,而ioctl最多也只能传一个,"..."的意思是让内核不要检查这个参数的类型。也就是说,从用户层可以传入任何参数,只要你传入的个数是1.

 

一般会有两种的传参方法:

1)整数,那可是省力又省心,直接使用就可以了。

2)指针,通过指针的就传什么类型都可以了,当然用起来就比较烦。

 

先说简单的,使用整数作为参数:

例子,实现个命令,通过传入参数更改偏移量,虽然llseek已经实现,这里只是想验证一下正数传参的方法。

 

1)先加个命令:


#ifndef _TEST_CMD_H

#define _TEST_CMD_H

#define TEST_MAGIC 'x' //定义幻数

#define TEST_MAX_NR 2 //定义命令的最大序数

#define TEST_CLEAR _IO(TEST_MAGIC, 1)

#define TEST_OFFSET _IO(TEST_MAGIC, 2)

#endif /*_TEST_CMD_H*/

这里有人会问了,明明你是要传入参数,为什么不用_IOW而用_IO定义命令呢?

原因有二:

1)因为定义数据的传输方向是为了好让驱动的函数验证数据的安全性,而一般指针才需要检验安全性,因为有人会恶意传参(回想一下copy_to_user)

2)个人喜好,方便我写程序介绍另一种传参方法,说白了命令也只是一个数,只要不要跟预定义命令冲突就可以了。

2)更新test_ioctl


int test_ioctl (struct inode *node, struct file *filp, unsigned int cmd, uns igned long arg)

{

int ret = 0;

struct _test_t *dev = filp->private_data;

/*既然这么费劲定义了命令,当然要检验命令是否有效*/

if(_IOC_TYPE(cmd) != TEST_MAGIC) return - EINVAL;

if(_IOC_NR(cmd) > TEST_MAX_NR) return - EINVAL;

switch(cmd){

case TEST_CLEAR:

memset(dev->kbuf, 0, DEV_SIZE);

dev->cur_size = 0;

filp->f_pos = 0;

ret = 0;

break;

case TEST_OFFSET: //根据传入的参数更改偏移量

filp->f_pos += (int)arg;

P_DEBUG("change offset!\n");

ret = 0;

break;

default: /*命令错误时的处理*/

P_DEBUG("error cmd!\n");

ret = - EINVAL;

break;

}

return ret;

}

TSET_OFFSET命令就是根据传参更改偏移量,不过这里要注意一个问题,那就是参数的类型,驱动函数必须要知道从应用传来的参数是什么类型,不然就没法使用。在这个函数里,从应用层传来的参数是int,因此在驱动中也得用int

3)再改一下应用程序:


#include <stdio.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

#include <sys/ioctl.h>

#include "test_cmd.h"

int main(void)

{

char buf[20];

int fd;

int ret;

fd = open("/dev/test", O_RDWR);

if(fd < 0)

{

perror("open");

return -1;

}

write(fd, "techbulo", 8); //先写入

ioctl(fd, TEST_OFFSET, -8); //再改偏移量

ret = read(fd, buf, 8); //再读数据

printf("<app> buf is [%s]\n", buf);

if(ret < 0)

{

perror("read");

}

close(fd);

return 0;

}

4)验证一下


[root: 3rd]# insmod test.ko

major[253] minor[0]

hello kernel

[root: 3rd]# mknod /dev/test c 253 0

[root: 3rd]# ./app

<kernel>[test_write]write 8 bytes, cur_size:[8]

<kernel>[test_write]kbuf is [techbulo]

<kernel>[test_ioctl]change offset! //更改偏移量

<kernel>[test_read]read 8 bytes, cur_size:[0] //没错误,成功读取!

<app> buf is [techbulo]

上面的传参很简单把,接下来说一下以指针传参。

考虑到参数不可能永远只是一个正数这么简单,如果要传多一点的东西,譬如是结构体,那就得用上指针了。

六、ioctl中的arg之指针传参。

一讲到从应用程序传来的指针,就得想起我邪恶的传入了非法指针的例子。所以,驱动程序中任何与应用层打交道的指针,都得先检验指针的安全性。

说到这检验又有两种方法:

1)用的时候才检验。

2)一进来ioctl就检验。

先说用的时候检验,说白了就是用copy_xx_user系列函数,下面实现一下:

1)先定义个命令


#ifndef _TEST_CMD_H

#define _TEST_CMD_H

struct ioctl_data{

unsigned int size;

char buf[100];

};

#define DEV_SIZE 100

#define TEST_MAGIC 'x' //定义幻数

#define TEST_MAX_NR 3 //定义命令的最大序数

#define TEST_CLEAR _IO(TEST_MAGIC, 1)

#define TEST_OFFSET _IO(TEST_MAGIC, 2)

#define TEST_KBUF _IO(TEST_MAGIC, 3)

#endif /*_TEST_CMD_H*/

这里有定义多了一个函数,虽然这个命令是涉及到了指针的传参,但我还是_IOW,还是那一句,现在还不需要用上。

该命令的操作是传进一个结构体指针,驱动根据结构体的内容修改kbufcur_size和偏移量。

2)来个实现函数:


int test_ioctl (struct inode *node, struct file *filp, unsigned int cmd, uns igned long arg)

{

int ret = 0;

struct _test_t *dev = filp->private_data;

struct ioctl_data val;

/*既然这么费劲定义了命令,当然要检验命令是否有效*/

if(_IOC_TYPE(cmd) != TEST_MAGIC) return - EINVAL;

if(_IOC_NR(cmd) > TEST_MAX_NR) return - EINVAL;

switch(cmd){

case TEST_CLEAR:

memset(dev->kbuf, 0, DEV_SIZE);

dev->cur_size = 0;

filp->f_pos = 0;

ret = 0;

break;

case TEST_OFFSET: //根据传入的参数更改偏移量

filp->f_pos += (int)arg;

P_DEBUG("change offset!\n");

ret = 0;

break;

case TEST_KBUF: //修改kbuf

if(copy_from_user(&val, (struct ioctl_data *)arg, sizeof(struct ioctl_data))){

ret = - EFAULT;

goto RET;

}

memset(dev->kbuf, 0, DEV_SIZE);

memcpy(dev->kbuf, val.buf, val.size);

dev->cur_size = val.size;

filp->f_pos = 0;

ret = 0;

break;

default: /*命令错误时的处理*/

P_DEBUG("error cmd!\n");

ret = - EINVAL;

break;

}

RET:

return ret;

}

第43行,因为指针是从用户程序传来,所以必须检查安全性。

3)来个应用程序


int main(void)

{

char buf[20];

int fd;

int ret;

struct ioctl_data my_data= {

.size = 10,

.buf = "123456789"

};

fd = open("/dev/test", O_RDWR);

if(fd < 0)

{

perror("open");

return -1;

}

write(fd, "techbulo", 8);

ioctl(fd, TEST_KBUF, &my_data);

ret = read(fd, buf, 10);

printf("<app> buf is [%s]\n", buf);

if(ret < 0)

{

perror("read");

}

close(fd);

return 0;

}

4)再来验证一下:


<span style="font-family: 'DejaVu Serif', serif;">[root: 4th]# ./app</span>

<span style="font-family: 'DejaVu Serif', serif;"><kernel>[test_write]write 8 bytes, cur_size:[8]</span>

<span style="font-family: 'DejaVu Serif', serif;"><kernel>[test_write]kbuf is [techbulo]</span>

<span style="font-family: 'DejaVu Serif', serif;"><kernel>[test_read]read 10 bytes, cur_size:[0]</span>

<span style="font-family: 'DejaVu Serif', serif;"><app> buf is [123456789] //</span>成功!

注:类似copy_xx_user的函数含有put_userget_user等,我就不细说了。

 

注:

下面说第二种方法:进入ioctl后使用access_ok检测。

声明一下:下面的验证方法是不正确的。如果不想看下去的话,今天的内容已经讲完了。

先说一下access_ok的使用


access_ok(type, addr, size)

使用:检测地址的安全性

参数:

type:用于指定数据传输的方向,VERIFY_READ表示要读取应用层数据,VERIFT_WRITE表示要往应用层写如数据。注意:这里和IOR IOW的方向相反。如果既读取又写入,那就使用VERIFY_WRITE。

addr:用户空间的地址

size:数据的大小

返回值:

成功返回1,失败返回0。

既然知道怎么用,就直接来程序了:

1)定义命令


#ifndef _TEST_CMD_H

#define _TEST_CMD_H

struct ioctl_data{

unsigned int size;

char buf[100];

};

#define DEV_SIZE 100

#define TEST_MAGIC 'x' //定义幻数

#define TEST_MAX_NR 3 //定义命令的最大序数

#define TEST_CLEAR _IO(TEST_MAGIC, 1)

#define TEST_OFFSET _IO(TEST_MAGIC, 2)

#define TEST_KBUF _IOW(TEST_MAGIC, 3, struct ioctl_data)

#endif /*_TEST_CMD_H*/

这里终于要用_IOW了!

2)实现ioctl


int test_ioctl (struct inode *node, struct file *filp, unsigned int cmd, uns igned long arg)

{

int ret = 0;

struct _test_t *dev = filp->private_data;

/*既然这么费劲定义了命令,当然要检验命令是否有效*/

if(_IOC_TYPE(cmd) != TEST_MAGIC) return - EINVAL;

if(_IOC_NR(cmd) > TEST_MAX_NR) return - EINVAL;

/*根据提取命令指定的方向判断指针的安全性*/

if(_IOC_DIR(cmd) & _IOC_READ)

ret = access_ok(VERIFY_WRITE, (void __user *)arg, _IOC_SIZE(cmd));

else if(_IOC_DIR(cmd) & _IOC_WRITE)

ret = access_ok(VERIFY_READ, (void __user *)arg, _IOC_SIZE(cmd));

if(!ret) return - EFAULT;

switch(cmd){

case TEST_CLEAR:

memset(dev->kbuf, 0, DEV_SIZE);

dev->cur_size = 0;

filp->f_pos = 0;

ret = 0;

break;

case TEST_OFFSET: //根据传入的参数更改偏移量

filp->f_pos += (int)arg;

P_DEBUG("change offset!\n");

ret = 0;

break;

case TEST_KBUF: //修改kbuf

memset(dev->kbuf, 0, DEV_SIZE);

memcpy(dev->kbuf, ((struct ioctl_data *)arg)->buf,

((struct ioctl_data *)arg)->size);

dev->cur_size = ((struct ioctl_data *)arg)->size;

filp->f_pos = 0;

ret = 0;

break;

default: /*命令错误时的处理*/

P_DEBUG("error cmd!\n");

ret = - EINVAL;

break;

}

return ret;

}

上面并没有用copy_to_user,而是通过access_ok来检测。

3)再来个应用程序:


int main(void)

{

char buf[20];

int fd;

int ret;

struct ioctl_data my_data= {

.size = 10,

.buf = "123456789"

};

fd = open("/dev/test", O_RDWR);

if(fd < 0)

{

perror("open");

return -1;

}

write(fd, "techbulo", 8);

ret = ioctl(fd, TEST_KBUF, &my_data);

if(ret < 0)

{

perror("ioctl");

}

ret = read(fd, buf, 10);

printf("<app> buf is [%s]\n", buf);

if(ret < 0)

{

perror("read");

}

close(fd);

return 0;

}

4)验证一下:效果和上一个一样


[root: 5th]# ./app

<kernel>[test_write]write 8 bytes, cur_size:[8]

<kernel>[test_write]kbuf is [techbulo]

<kernel>[test_read]read 10 bytes, cur_size:[0]

<app> buf is [123456789]

下面就要如正题了,这个驱动是有问题的,那就是验证安全性完全不起作用!当我传入非法指针时,驱动同样会输出,不信可以自己传个邪恶地址(void *)0进去试一下。

修改应用程序一样代码:


ret = ioctl(fd, TEST_KBUF, &my_data);

上面是我做的错误实现,我本来想验证,只要经过access_ok检验,数据就会安全,没想到经过access_ok检验之后照样会出错。

但是,copy_to_user同样是先调用access_ok再调用memcpy,它却没出错。这个我事情我现在都没搞明白,如果谁知道了麻烦指点一下。

我查了设备驱动第三版,在144页有这样的说法:

1.access_ok并没有做完的所有的内存检查,

2.大多数的驱动代码都不是用access_ok的,后面的内存管理会讲述。

在这里书本上有这样的约定:(都是我自己的理解)

1.传入指针需要检查安全性。memcpy函数尽量不要在内核中使用。

2.copy_to_user.copy_from_user.get_user.put_user函数会再拷贝数据前检测指针的安全性。不需要access_ok

3.如果在ioctl函数开头使用了accsee_ok检验数据,接下来的代码可以使用__put_user__get_user这些不需要检测的函数(书上有例子)

虽然还有写东西还没搞懂,但个人觉得,如果使用个access_ok要这么麻烦的话,那我就不用好了,以后我就使用copy_xx_user函数,省力又省心。

七、总结:

这次讲了ioctl的实现:

1)命令是怎么定义。

2)参数怎么传递。

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  1. 4412 2015年04月08日 下午9:25  @回复  Δ-49楼 回复

    留言是种美德,写点什么… 😛 牛气

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