一、 什么是ioctl
ioctl是设备驱动程序中对设备的I/O通道进行管理的函数。所谓对I/O通道进行管理，就是对设备的一些特性进行控制，例如串口的
传输波特率、马达的转速等等。它的调用个数如下：
int ioctl(int fd, ind cmd, …)； 其中fd是用户程序打开设备时使用
open函数返回的文件标示符，cmd是用户程序对设备的
控制命令，至于后面的省略号，那是一些补充参数，一般最多一个，这个参数的有无和cmd的意义相关。
ioctl函数是文件结构中的一个属性分量，就是说如果你的驱动程序提供了对ioctl的支持，用户就可以在用户程序中使用ioctl函数来控制设备的I/O通道。
二、 ioctl的必要性
如果不用ioctl的话，也可以实现对设备I/O通道的控制，但那是蛮拧了。
例如，我们可以在驱动程序中实现write的时候检查一下是否有特殊约定的数据流通过，如果有的话，那么后面就跟着控制命令（一般在socket编程中常常这样做）。但是如果这样做的话，会导致代码分工不明，程序结构混乱，程序员自己也会头昏眼花的。所以，我们就使用ioctl来实现控制的功能。
命令码(cmd)告诉驱动程序它想做什么，至于怎么解释这些命令和怎么实现这些命令，这都是驱动程序要做的事情。
三、 ioctl如何实现
在驱动程序中实现的ioctl函数体内，实际上是有一个switch{case}结构，每一个case对应一个命令码，做出一些相应的操作。怎么实现这些操作，这是每一个程序员自己的事情。因为设备都是特定的，这里也没法说。关键在于怎样组织命令码。
在ioctl中命令码是唯一联系用户程序命令和驱动程序支持的途径。命令码的组织是有一些讲究的，因为我们一定要做到命令和设备是一一对应的，这样才不会将正确的命令发给错误的设备，或者是把错误的命令发给正确的设备，或者是把错误的命令发给错误的设备。这些错误都会导致不可预料的事情发生，而当程序员发现了这些奇怪的事情的时候，再来调试程序查找错误，那将是非常困难的事情。所以在linux核心中是这样定义一个命令码的：
____________________________________
| 设备类型 | 序列号 | 方向 |数据尺寸|
|----------|--------|------|--------|
| 8 bit | 8 bit |2 bit |8~14 bit|
|----------|--------|------|--------|
这样一来，一个命令就变成了一个整数形式的命令码；但是命令码非常的不直观，所以Linux Kernel中提供了一些宏。这些宏可根据便于理解的字符串生成命令码，或者是从命令码得到一些用户可以理解的字符串以标明这个命令对应的设备类型、设备序列号、数据传送方向和数据传输尺寸。
//nr为序号，datatype为数据类型,如int
_IO(type, nr ) //没有参数的命令
_IOR(type, nr, datatype) //从驱动中读数据
_IOW(type, nr, datatype) //写数据到驱动
_IOWR(type,nr, datatype) //双向传送
定义命令例子:
#define MEM_IOC_MAGIC 'm' //定义类型
#define MEM_IOCSET _IOW(MEM_IOC_MAGIC,0,int)
#define MEM_IOCGQSET _IOR(MEM_IOC_MAGIC, 1, int)
2、实现命令：
定义好了命令，下一步就是要实现ioctl函数了，ioctl的实现包括三个技术环节：
1）返回值；
ioctl函数的实现是根据命令执行的一个switch语句，但是，当命令不能匹配任何一个设备所支持的命令时，通常返回-EINVAL(非法参数)；
2）参数使用；
用户使用 int ioctl(int fd,unsinged long cmd,...) 时，...就是要传递的参数；
再通过 int (*ioctl)(struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg) 中的arg传递；
如果arg是一个整数，可以直接使用；
如果是指针，我们必须确保这个用户地址是有效的，因此，使用之前需要进行正确检查。
内部有检查的，不需要检测的：
copy_from_user
copy_to_user
get_user
put_user需要检测的：
__get_user
__put_user
检测函数access_ok（）:
static inline int access_ok(int type, const void *addr, unsigned long size)
/*
type :是VERIFY_READ 或者VERIFY_WRITE用来表明是读用户内存还是写用户内存;
addr:是要操作的用户内存地址;
size:是操作的长度。如果ioctl需要从用户空间读一个整数，那么size参数就等于sizeof(int)；
返回值：Access_ok返回一个布尔值：1，是成功（存取没问题）；0，是失败，ioctl返回-EFAULT；
*/
四、 cmd参数如何得出
这里确实要说一说，
cmd参数在用户程序端由一些宏根据设备类型、序列号、传送方向、数据尺寸等生成，这个整数通过系统调用传递到内核中的驱动程序，再由驱动程序使用解码宏从这个整数中得到设备的类型、序列号、传送方向、数据尺寸等信息，然后通过switch{case}结构进行相应的操作。要透彻理解，只能是通过阅读源代码，我这篇文章实际上只是一个引子。cmd参数的组织还是比较复杂的，我认为要搞熟它还是得花不少时间的，但是这是值得的，因为
驱动程序中最难的是对中断的理解。
五、 示例
memdev.h：
#ifndef _MEMDEV_H_
#define _MEMDEV_H_
#include <linux/ioctl.h>
#ifndef MEMDEV_MAJOR
#define MEMDEV_MAJOR 0 /*预设的mem的主设备号*/
#endif
#ifndef MEMDEV_NR_DEVS
#define MEMDEV_NR_DEVS 2 /*设备数*/
#endif
#ifndef MEMDEV_SIZE
#define MEMDEV_SIZE 4096
#endif/*mem设备描述结构体*/
struct mem_dev
{
char *data;
unsigned long size;
};
/* 定义幻数 */
#define MEMDEV_IOC_MAGIC 'k'
/* 定义命令 */
#define MEMDEV_IOCPRINT _IO(MEMDEV_IOC_MAGIC, 1)
#define MEMDEV_IOCGETDATA _IOR(MEMDEV_IOC_MAGIC, 2, int)
#define MEMDEV_IOCSETDATA _IOW(MEMDEV_IOC_MAGIC, 3, int)
#define MEMDEV_IOC_MAXNR 3
#endif /* _MEMDEV_H_ */
（2）memdev.c：
（驱动程序）
#include <linux/module.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/system.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include "memdev.h"
static int mem_major = MEMDEV_MAJOR;
module_param(mem_major, int, S_IRUGO);
struct mem_dev *mem_devp; /*设备结构体指针*/
struct cdev cdev;
/*文件打开函数*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct mem_dev *dev;
/*获取次设备号*/
int num = MINOR(inode->i_rdev);
if (num >= MEMDEV_NR_DEVS)
return -ENODEV;
dev = &mem_devp[num];
/*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/
filp->private_data = dev;
return 0;
}
/*文件释放函数*/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
/*IO操作*/
int memdev_ioctl(struct inode *inode, struct file *filp,
unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
int err = 0;
int ret = 0;
int ioarg = 0;
/* 检测命令的有效性 */
if (_IOC_TYPE(cmd) != MEMDEV_IOC_MAGIC)
return -EINVAL;
if (_IOC_NR(cmd) > MEMDEV_IOC_MAXNR)
return -EINVAL;
/* 根据命令类型，检测参数空间是否可以访问 */
if (_IOC_DIR(cmd) & _IOC_READ)
err = !access_ok(VERIFY_WRITE, (void *)arg, _IOC_SIZE(cmd));
else if (_IOC_DIR(cmd) & _IOC_WRITE)
err = !access_ok(VERIFY_READ, (void *)arg, _IOC_SIZE(cmd));
if (err)
return -EFAULT;
/* 根据命令，执行相应的操作 */
switch(cmd) {
/* 打印当前设备信息 */
case MEMDEV_IOCPRINT:
printk("<--- CMD MEMDEV_IOCPRINT Done--->\n\n");
break;
/* 获取参数 */
case MEMDEV_IOCGETDATA:
ioarg = 1101;
ret = __put_user(ioarg, (int *)arg);
break;
/* 设置参数 */
case MEMDEV_IOCSETDATA:
ret = __get_user(ioarg, (int *)arg);
printk("<--- In Kernel MEMDEV_IOCSETDATA ioarg = %d --->\n\n",ioarg);
break;
default:
return -EINVAL;
}
return ret;
}
/*文件操作结构体*/
static const struct file_operations mem_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.open = mem_open,
.release = mem_release,
.ioctl = memdev_ioctl,
};
/*设备驱动模块加载函数*/
static int memdev_init(void)
{
int result;
int i;
dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0);
/* 静态申请设备号*/
if (mem_major)
result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev");
else /* 动态分配设备号 */
{
result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
mem_major = MAJOR(devno);
}
if (result < 0)
return result;
/*初始化cdev结构*/
cdev_init(&cdev, &mem_fops);
cdev.owner = THIS_MODULE;
cdev.ops = &mem_fops;
/* 注册字符设备 */
cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS);
/* 为设备描述结构分配内存*/
mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);
if (!mem_devp) /*申请失败*/
{
result = - ENOMEM;
goto fail_malloc;
}
memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));
/*为设备分配内存*/
for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++)
{
mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;
mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);
memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);
}
return 0;
fail_malloc:
unregister_chrdev_region(devno, 1);
return result;
}
/*模块卸载函数*/
static void memdev_exit(void)
{
cdev_del(&cdev); /*注销设备*/
kfree(mem_devp); /*释放设备结构体内存*/
unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/
}
MODULE_AUTHOR("David Xie");
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);
(3)app-ioctl.c
（应用程序）
#include <stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/stat.h>
#include<fcntl.h>
#include "memdev.h" /* 包含命令定义 */
int main()
{
int fd = 0;
int cmd;
int arg = 0;
char Buf[4096];
/*打开设备文件*/
fd = open("/dev/memdev0",O_RDWR);
if (fd < 0)
{
printf("Open Dev Mem0 Error!\n");
return -1;
}
/* 调用命令MEMDEV_IOCPRINT */
printf("<--- Call MEMDEV_IOCPRINT --->\n");
cmd = MEMDEV_IOCPRINT;
if (ioctl(fd, cmd, &arg) < 0)
{
printf("Call cmd MEMDEV_IOCPRINT fail\n");
return -1;
}
/* 调用命令MEMDEV_IOCSETDATA */
printf("<--- Call MEMDEV_IOCSETDATA --->\n");
cmd = MEMDEV_IOCSETDATA;
arg = 2007;
if (ioctl(fd, cmd, &arg) < 0)
{
printf("Call cmd MEMDEV_IOCSETDATA fail\n");
return -1;
}
/* 调用命令MEMDEV_IOCGETDATA */
printf("<--- Call MEMDEV_IOCGETDATA --->\n");
cmd = MEMDEV_IOCGETDATA;
if (ioctl(fd, cmd, &arg) < 0)
{
printf("Call cmd MEMDEV_IOCGETDATA fail\n");
return -1;
}
printf("<--- In User Space MEMDEV_IOCGETDATA Get Data is %d --->\n\n",arg);
close(fd);
return 0;
}
