Linux內(nèi)核的概念

Linux是最受歡迎的自由電腦操作系統(tǒng)內(nèi)核。它是一個用C語言寫成，符合POSIX標準的類Unix操作系統(tǒng)。Linux最早是由芬蘭黑客 Linus Torvalds為嘗試在英特爾x86架構(gòu)上提供自由免費的類Unix操作系統(tǒng)而開發(fā)的。該計劃開始于1991年，在計劃的早期有一些Minix 黑客提供了協(xié)助，而今天全球無數(shù)程序員正在為該計劃無償提供幫助。 技術(shù)上說Linux是一個內(nèi)核?！皟?nèi)核”指的是一個提供硬件抽象層、磁盤及文件系統(tǒng)控制、多任務(wù)等功能的系統(tǒng)軟件。一個內(nèi)核不是一套完整的操作系統(tǒng)。一套基于Linux內(nèi)核的完整操作系統(tǒng)叫作Linux操作系統(tǒng)，或是GNU/Linux。

ioctl函數(shù)是在驅(qū)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(shè)備驅(qū)動程序中對設(shè)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(shè)備的一些特性進行控制，例如串口的傳輸波特率、馬達的轉(zhuǎn)速等等。它的調(diào)用個數(shù)如下：

int ioctl(int fd, ind cmd, …)；

其中fd就是用戶程序打開設(shè)備時使用open函數(shù)返回的文件標示符，cmd就是用戶程序?qū)υO(shè)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(guān)的。

ioctl函數(shù)是文件結(jié)構(gòu)中的一個屬性分量，就是說如果你的驅(qū)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(shè)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(shè)備I/O通道的控制，但那就是蠻擰了。例如，我們可以在驅(qū)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(jié)構(gòu)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(qū)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(qū)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(qū)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(qū)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(shè)備驅(qū)動程序》這本書已經(jīng)說的非常清楚了，但是得化一些時間來看。

在驅(qū)動程序中實現(xiàn)的ioctl函數(shù)體內(nèi)，實際上是有一個switch{case}結(jié)構(gòu)，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(shè)備都是特定的，這里也沒法說。關(guān)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(qū)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(shè)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(shè)備，或者是把錯誤的命令發(fā)給正確的設(shè)備，或者是把錯誤的命令發(fā)給錯誤的設(shè)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(diào)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(shè)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(shè)備類型、設(shè)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(shè)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(shè)備驅(qū)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(shè)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(diào)用傳遞到內(nèi)核中的驅(qū)動程序，再由驅(qū)動程序使用解碼宏從這個整數(shù)中得到設(shè)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(jié)構(gòu)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(qū)動程序中最難的是對中斷的理解。

ioctl其實沒有什么很難的東西需要理解，關(guān)鍵是理解cmd命令碼是怎么在用戶程序里生成并在驅(qū)動程序里解析的，程序員最主要的工作量在switch{case}結(jié)構(gòu)中，因為對設(shè)備的I/O控制都是通過這一部分的代碼實現(xiàn)的。謝謝大家的閱讀，希望能幫到大家。