Linux设备驱动程序 之 ioctl

Posted 2020-12-01 Alex

ioctl

除了读取和写入设备之外，大部分驱动程序还需要另外一种能力，即通过设备驱动程序执行各种类型的硬件控制，通常这种需求使用ioctl方法支持，该方法实现了同名的系统调用；

在用户空间，ioctl系统调用的原型如下：

1 int ioctl(int d, int request, ...);

原型中的可变参数不是数目不定的一串参数，而只是一个可选参数；可选参数的具体格式依赖于控制命令，也就是第二个参数；某些控制命令不需要参数，某些需要一个整数参数，某些需要一个指针参数；使用指针参数可以向ioctl传递任意数据，这样设备可以与用户空间交换任意数量的数据；

ioctl系统调用内核中的定义如下：

1 SYSCALL_DEFINE3(ioctl, unsigned int, fd, unsigned int, cmd, unsigned long, arg)

ioctl在file_operations中的函数原型如下：

1 long (*unlocked_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);
2 long (*compat_ioctl) (struct file *, unsigned int, unsigned long);

大多数ioctl的实现都包含了一个switch语句来根据cmd参数选择对应的操作；不同的命令被赋予不同的数值，为了简化代码，通常会在代码中使用符号名代替数值，这些符号名由c语言的预处理语句定义，订制设备驱动程序通常会在它们的头文件中声明这些符号；

选择ioctl命令

ioctl命令号码定义使用了4个为字段，其含义如下：

type：幻数；选择一个号码，并在整个驱动程序中使用这个号码；这个字段是8位宽(_IOC_TYPEBITS)；通常使用一个英文字母；比如#define MY_IOC_MAGIC ‘k’；需要注意避免命令号冲突；

number：序数(顺序编号)；是8位宽(_IOC_NRBITS)；通常从0开始顺序编号；

direction：如果命令涉及到数据的传输，则该位字段定义数据传输的方向；可以使用的值包括_IOC_NONE(没有数据传输)、_IOC_READ、_IOC_WRITE、_IOC_READ|_IOC_WRITE(双向传输)；数据传输是从应用程序的角度来看的，也就是说，IOC_READ意味着从设备中读取数据，所以驱动程序必须向用户空间写入数据；注意，该字段是一个位掩码，因此可以使用逻辑AND操作从中分解出_IOC_READ和_IOC_WRITE；

size：所涉及的用户数据大小；这个字段的宽度与体系结构有关，通常是13或者14位，具体可以通过宏_IOC_SIZEBIT找到针对特定体系结构的具体数值；系统并不强制只用这个字段，也就是说，内核不会检查这个字段；对该字段的正确使用可以帮助我们检测用户程序的错误，并且如果我们从不改变相关的数据项大小的话，这个位字段哈可以帮我们实现向后的兼容性；但是，如果需要很大的数据传输，则可以忽略这个位字段；

 

用于构造命令编号的宏如下，其中type和number位字段通过参数传入，而size位字段通过对datatype参数取sizeof获取的；

_IO(type,nr)用于构造无参数的命令编号；

_IOR(type,nr,size)用于构造从驱动程序读取数据的命令编号；

_IOW(type,nr,size)用于构造用用户空间写入数据的命令；

_IOWR(type,nr,size)用于双向传输；

 

用于解开位字段的宏如下：

_IOC_DIR(nr)、_IOC_TYPE(nr)、_IOC_NR(nr)、_IOC_SIZE(nr)；

返回值

ioctl实现通常就是一个基于命令号的switch语句；当命令号不合法时，有些内核函数返回-ENVAL(非法参数)；POSIX标准规定，应该返回-ENOTTY，C库将这个错误码解释为不合适的设备ioctl；但是普遍做法是返回-EINVAL；

使用ioctl参数

ioctl的附加参数，如果是个整数，直接使用就可以了，如果是个指针，就需要注意一些问题；

当用一个指针指向用户空间时，必须确保指向的用户空间是合法的；对未验证的用户空间指针的访问，可能导致内核oops，系统崩溃或者安全问题；驱动程序应该负责对每个用到的用户空间地址做适当的检查，如果是非法地址则应该返回一个错误；

copy_from_user和copy_to_user可以安全的与用户空间交换数据，这两个函数也可以在ioctl中使用，但是因为ioctl通常涉及较小的数据项，因此可以通过其他方法更有效的操作；为此，我们首先要通过access_ok函数验证地址，而不传输数据，函数声明如下：<asm-generic/uaccess.h>

1 #define access_ok(type, addr, size) __access_ok((unsigned long)(addr),(size))

第一个参数type应是VERIFY_READ或者VERIFY_RIWTE，取决于要执行的动作是读取还是写入用户空间内存区；addr参数是一个用户空间地址，size是字节数，如ioctl要从用户空间读取一个整数，则size是sizeof(int)；如果在指定地址处既要读取又要写入，则应该用VERIFY_WRITE，因为它是VERIFY_READ的超集；

与大多数函数不同，access_ok返回1标识成功，0标识失败；如果返回失败，则通常需要返回-EFAULT给调用者；

关于该函数，需要注意两点：第一，它并没有完成验证内存的全部工作，而只是检查了所引用的内存是否位于进程有对应访问权限的区域中，特别是要确保访问的地址没有指向内核空间的内存区；第二，大多数驱动程序代码中都不需要真正调用access_ok，因为内存管理程序会处理它；

数据传送

除了copy_from_user和copy_to_user函数之外，内核还提供了常用的数据大小为1,2,4,8字节优化过的一组函数；

1 #define put_user(x, ptr)
2 #define __put_user(x, ptr)
3 
4 #define get_user(x, ptr)
5 #define __get_user(x, ptr)

其中put_user函数把数据x写到用户空间；它们相对比较快，当需要传递单个数据时，使用这些宏而不是用copy_to_user；由于这些宏在展开时不做类型检查，所以可以传递给put_user任意类型的指针，只要是个用户空间地址就行；传递数据大小依赖于ptr参数的类型，在编译时由编译器的内建指令sizeof和typeof确定；总之，若ptr是一个字符指针，就传递1个字节，2,4,8字节的情况类似；

put_user已经进行了检查确保进程可以写入指定的内存地址，并在成功时返回0，出错是返回-EFAULT；__put_user则做的检查少些，它不调用access_ok，但是如果地址指向的用户不能写入内存，会出现操作失败，因为__put_user要在已经使用过access_ok检查后使用；

get_user从用户空间接收一个数据，接收的数值保存在局部变量x中，返回值指明了操作是否成功；通用，__get_user应该在操作地址已经被access_ok检查通过后使用；

如果是不满足上述的传递大小的数值，则必须使用copy_to_user和copy_from_user；

权能与受限操作

权限相关的定义在<uapi/linux/capability.h>中，其中包含了系统能够理解的所有权能；不修改内核源码，驱动程序无法定义新的权能；对驱动程序开发来讲有意义的权能如下：

CAP_DAC_OVERRIDE

越过文件或者目录的访问限制的能力；

CAP_NET_ADMIN

执行网络管理任务的能力，包括哪些能影响网络接口的任务；

CAP_SYS_MODULE

载入或者卸载内核模块的能力

CAP_SYS_RAWIO

执行裸IO操作的能力，例如，访问设备端口或者直接与USB设备通信；

CAP_SYS_ADMIN

截获的能力，它提供了访问许多系统管理操作的途径；

在执行某项特权操作之前，需要检查调用进程是否有合适的权能；如果不进行这类检查，将导致用户进程执行非授权操作，从而影响系统稳定性和安全性；权能检查通过capable实现；在<linux/capability.h>中；

1 bool capable(int cap);