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Linux Device Driver - IOCTL (copy_to_user & copy_from_user)

在 linux/include/linux/fs.h 中定義許多file operation能用的handler
這一次我針對的是 read、ioctl做練習
file operation中沒實做到的handler會被定義成NULL
這一支程式會先得到來自kernel的回應，接著kernel 換更改指定的數字

先大概說一下主要概念
我要先寫一個mydev.c 當作 driver
執行完make 之後就把 mydev.ko 加入到 kernel中
此時的 mydev.ko 就是模組, 一個在kernel中的模組了
那要如何與此模組互動呢?
我要再寫一個 test_mydev.c 當作 user
直接把他 gcc 產生執行檔再指定我要跟mydev 模組溝通

首先先來看 ioc.h
這裡定義了 user 能夠透過 ioctl 傳達的指令
IOC_MAGIC 是device 的 major number , 而我定義其major number為 k
每一個裝置都有其major number 與 minor number
接著我設置 SETNUM GETNUM XNUM 3種指令
_IOW _IOR _IOWR 是 kernel 的巨集 , 我們用這3個巨集來定義我們的命令要做哪些事
各聚集裡的1,2,3 是自訂的minor number

#ifndef IOC_H

#define IOC_H



#define IOC_MAGIC 'k'

#define SETNUM _IOW(IOC_MAGIC, 1 , int)

#define GETNUM _IOR(IOC_MAGIC, 2 , int)

#define XNUM _IOWR(IOC_MAGIC,3 , int)

#define IOC_MAXNR 3



#endif

接著看到最主要的 driver code : mydev.c
在file operations 中定義了我自訂的操作函數
dev_open : 在user open device file 時會被呼叫
dev_close : 在user close device file 時會被呼叫
dev_ioctl : switch case 中寫了各種command該執行的動作
若user 呼叫 ioctl 時傳入 SETNUM 則 driver 會將傳入的資料(args)取出,並指定給val 變數
若user 呼叫 ioctl 時傳入 GETNUM 則 driver 會將val 變數傳出(args)
若user 呼叫 ioctl 時傳入XNUM 則 driver 會將 user 輸入的數值指派給val變數達到更改資料
的目的
(因為user space 與 kernel space 儲存data的空間不同, 因此要用 copy_to_user 與
copy_from_user來轉遞資料)
dev_read : user 呼叫 read時會被呼叫, 我在這裡放了一個hello字串, kernel會利用copy_to_user 傳到
buffer中給user
dev_write: 我在這裡沒用到
init_modules: 程式進入點 , 建立裝置並註冊到kernel
exit_modules: 程式結束 , 移除裝置

#include <linux/init.h>

#include <linux/module.h>



#include <linux/fs.h> //chrdev

#include <linux/cdev.h> //cdev_add() / cdev_del()



#include <asm/uaccess.h> //copy_*_user()



#include "ioc.h"



MODULE_LICENSE("GPL");

MODULE_AUTHOR("IRENE 2013/09/01");

#define DEV_BUFSIZE 1024



static int dev_major;

static int dev_minor;

struct cdev *dev_cdevp = NULL;

static int dev_open(struct inode*, struct file*);

static int dev_release(struct inode*, struct file*);

static int dev_ioctl(struct inode*, struct file*, unsigned int, unsigned long);

ssize_t dev_read(struct file*, char __user*, size_t, loff_t*);

ssize_t dev_write(struct file*, char __user*, size_t, loff_t*);

static void __exit exit_modules(void);



//Functions on the right side are the handler we just defined

struct file_operations dev_fops = {

   .owner = THIS_MODULE,

   .open = dev_open,

   .release= dev_release,

   .ioctl = dev_ioctl,

   .read = dev_read,

   .write = dev_write

};

// dev_open will be Called when user open the device file

static int dev_open(struct inode *inode, struct file *filp)

{

       printk("%s():\n",__FUNCTION__);

       return 0;

}



// dev_release will be Called when user close the device file

static int dev_release(struct inode *inode, struct file *filp)

{

       printk("%s():\n",__FUNCTION__);

       return 0;

}



// mainly io control between user and kernel

// args are pointed to user space's buffer

static int val = 0;

static int dev_ioctl(struct inode *inode, struct file *filp,

unsigned int cmd, unsigned long args)

{

      int tmp, err=0,ret=0;



      if(_IOC_TYPE(cmd) != IOC_MAGIC)

              return -ENOTTY;

      if(_IOC_NR(cmd) > IOC_MAXNR)

              return -ENOTTY;

      if(_IOC_DIR(cmd) & _IOC_READ){

              err = !access_ok(VERIFY_WRITE, (void __user*)args, _IOC_SIZE(cmd));

      } else if (_IOC_DIR(cmd) & (_IOC_WRITE)){

              err = !access_ok(VERIFY_READ, (void __user *)args,_IOC_SIZE(cmd));

      }



      if (err)

              return -EFAULT;



      switch (cmd) {

        case SETNUM:

             //copy data from args(user) to val(kernel)

             if(copy_from_user(&val,(int __user *)args,1))

                 return -1;



             printk("%s():get val from user = %d\n",__FUNCTION__,val);

                   break;

        case GETNUM:

                        //copy data from val to args

              if(copy_to_user((int __user *)args,&val,1))

                    return -1;



              printk("%s():set val to %d\n",__FUNCTION__, val);

                    break;

        case XNUM:

                       // exchange data passed by user

              tmp = val;

              if(copy_from_user(&val,(int __user *)args,1))

                        return -1;



              if(copy_to_user((int __user *)args,&val,1))

                        return -1;



           printk("%s():change val from %d to %d\n",__FUNCTION__,tmp,val);

           break;



        default: /* redundant. as cmd was checked against MAXNR */

                 return -ENOTTY;

     }

     return 0;

}

static const char str[]="Hello Irene from kernel!";

static const ssize_t str_size = sizeof(str);

// send messages to user

ssize_t dev_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)

{



     printk("%s():\n",__FUNCTION__);



     if( *f_pos >= str_size)

          return 0;

     if( *f_pos + count > str_size)

        count = str_size - *f_pos;

     if (copy_to_user(buf, str + *f_pos, count))

        return -EFAULT;

     *f_pos += count;

     return count;



}



ssize_t dev_write(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *f_pos)

{

     printk("%s():\n",__FUNCTION__);

     return 0;

}



static int __init init_modules(void)

{

   dev_t dev;

   int ret;

   // get major number dynamically

   ret = alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, "mydev");

   if (ret <0){

      printk("can't alloc chrdev\n");

      return ret;

   }

   dev_major = MAJOR(dev);

   dev_minor = MINOR(dev);

   printk("register chrdev(%d,%d)\n",dev_major,dev_minor);



   dev_cdevp = kmalloc(sizeof(struct cdev), GFP_KERNEL);

   if (dev_cdevp == NULL){

        printk("kmalloc failed\n");

        goto failed;

   }

   // system call handler

   cdev_init(dev_cdevp, &dev_fops);

   dev_cdevp->owner = THIS_MODULE;

   //register my device to kernel

   ret = cdev_add(dev_cdevp, MKDEV(dev_major, dev_minor),1);

   if(ret < 0){

        printk("add chr dev failed\n");

        goto failed;

   }

   return 0;



failed:

   if(dev_cdevp) {

   kfree(dev_cdevp);

   dev_cdevp = NULL;

}

  return 0;

}

static void __exit exit_modules(void)

{

   dev_t dev;

   dev = MKDEV(dev_major, dev_minor);

   if (dev_cdevp){

      cdev_del(dev_cdevp);

      kfree(dev_cdevp);

    }

   unregister_chrdev_region(dev,1);

   printk("unregister chrdev\n");

}



module_init(init_modules);

module_exit(exit_modules);

接著是 user 端部分啦 test_mydev.c
執行時要輸入的參數有 devicefile num
device file 就是在 /dev下的裝置檔名
num 是 XNUM命令時要change的value (default 是 10 )
首先利用 open 打開 device file
然後 read(fd, buffer, sizeof(buffer));
buffer 是 user 拿來放kernel 回傳值的地方
此時kernel 會回傳 Hello Irene from kernel!
接著 user 開始下達 ioctl command
--> ioctl(fd, SETNUM, &ret)
這是其中一個例子 , SETNUM 便是user 下達的command
而&ret 是回傳值的指標

#include <stdio.h>

#include <sys/ioctl.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/stat.h>

#include <fcntl.h>

#include "ioc.h"



int main(int argc, char *argv[])

{

       int fd, ret=10;

       unsigned char buffer[50]={};

       if(argc < 2)

       { 

         printf("Usage: /dev/mydev param1.. \n"); 

         return -1;

       }

       // open dev file

       fd=open(argv[1], O_RDWR);

       if(fd < 0)

       {

           printf("open %s failed\n", argv[1]);

           return -1;

       }

       //read from kernel  

       read(fd, buffer, sizeof(buffer));

       printf("%s\n",buffer);

       // set num to 10

       if (ioctl(fd, SETNUM, &ret)< 0)

       {

           printf("set num failed\n");

           return -1;

       }

       if(ioctl(fd, GETNUM , &ret)< 0)

       {

           printf("get num failed\n");

       }

       printf("get default value=%d\n",ret);

       // exchange number ret =atoi(argv[2]);  

       if (ioctl(fd, XNUM, &ret)<0)

       {

           printf("exchange num failed\n");

           return -1;

        }

       printf("get value = %d\n",ret);

       return 0;

}

最後是 Makefile

上面全部的檔案都存在mydev 資料夾中
/usr/src/kernels/linux-2.6.18/mydev/..

開始執行
make 之後的指令如下

在 insmod之後 dev會被賦予 major number 與 minor number
開啟新的cmd 執行dmesg就可以看到kernel傳來一條msg
register chrdev(252,0)
或是可以到 /proc/devices中查看 major number 與 minor number
在mknod時一定要給定對的major 與 minor number
否則會有找不到 file 的錯誤
執行後可以看到
kernel 傳回一條 hello messages
而kernel也將預設為10 的value改為 user 設定的 100
最後dmesg中可以看到kernel的訊息