學習了驅動程序的設計，感覺在學習驅動的同時學習linux內核，也是很不錯的過程哦，做了幾個實驗，該做一些總結，只有不停的作總結才能印象深刻。
我的平臺是虛擬機，fedora14，內核版本為2.6.38.1.其中較之前的版本存在較大的差別，具體的實現已經在上一次總結中給出了。今天主要總結的是ioctl和堵塞讀寫函數的實現。
一、ioctl函數的實現
首先說明在2.6.36以后ioctl函數已經不再存在了，而是用unlocked_ioctl和compat_ioctl兩個函數實現以前版本的ioctl函數。同時在參數方面也發生了一定程度的改變，去除了原來ioctl中的struct inode參數，同時改變了返回值。
但是驅動設計過程中存在的問題變化并不是很大，同樣在應用程序設計中我們還是采用ioctl實現訪問，而并不是unlocked_ioctl函數，因此我們還可以稱之為ioctl函數的實現。
ioctl函數的實現主要是用來實現具體的硬件控制，采用相應的命令控制硬件的具體操作，這樣就能使得硬件的操作不再是單調的讀寫操作。使得硬件的使用更加的方便。
ioctl函數實現主要包括兩個部分，首先是命令的定義，然后才是ioctl函數的實現，命令的定義是采用一定的規則。
ioctl的命令主要用于應用程序通過該命令操作具體的硬件設備，實現具體的操作，在驅動中主要是對命令進行解析，通過switch-case語句實現不同命令的控制，進而實現不同的硬件操作。
ioctl函數的命令定義方法：
int (*unlocked_ioctl)(struct file*filp,unsigned int cmd,unsigned long arg)
雖然其中沒有指針的參數，但是通常采用arg傳遞指針參數。cmd是一個命令。每一個命令由一個整形數據構成（32bits），將一個命令分成四部分，每一部分實現具體的配置，設備類型（幻數）8bits，方向2bits，序號8bits，數據大小13/14bits。命令的實現實質上就是通過簡單的移位操作，將各個部分組合起來而已。
一個命令的分布的大概情況如下：
|---方向位(31-30)|----數據長度(29-16)----------------|---------設備類型（15-8）------|----------序號（7-0）----------|
|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|
其中方向位主要是表示對設備的操作，比如讀設備，寫設備等操作以及讀寫設備等都具有一定的方向，2個bits只有4種方向。
數據長度表示每一次操作（讀、寫）數據的大小，一般而已每一個命令對應的數據大小都是一個固定的值，不會經常改變，14bits說明可以選擇的數據長度最大為16k。
設備類型類似于主設備號（由于8bits，剛好組成一個字節，因此經常采用字符作為幻數，表示某一類設備的命令），用來區別不同的命令類型，也就是特定的設備類型對應特定的設備。序號主要是這一類命令中的具體某一個，類似于次設備號（256個命令），也就是一個設備支持的命令多達256個。
同時在內核中也存在具體的宏用來定義命令以及解析命令。
但是大部分的宏都只是定義具體的方向，其他的都需要設計者定義。
主要的宏如下：
#include<linux/ioctl.h>
_IO(type,nr) 表示定義一個沒有方向的命令，
_IOR(type,nr,size) 表示定義一個類型為type，序號為nr，數據大小為size的讀命令
_IOW(type,nr,size) 表示定義一個類型為type，序號為nr，數據大小為size的寫命令
_IOWR(type,nr,size) 表示定義一個類型為type，序號為nr，數據大小為size的寫讀命令
通常的type可采用某一個字母或者數字作為設備命令類型。
是實際運用中通常采用如下的方法定義一個具體的命令:
//頭文件
#include<linux/ioctl.h>
/*定義一系列的命令*/
/*幻數，主要用于表示類型*/
#define MAGIC_NUM 'k'
/*打印命令*/
#define MEMDEV_PRINTF _IO(MAGIC_NUM,1)
/*從設備讀一個int數據*/
#define MEMDEV_READ _IOR(MAGIC_NUM,2,int)
/*往設備寫一個int數據*/
#define MEMDEV_WRITE _IOW(MAGIC_NUM,3,int)
/*最大的序列號*/
#define MEM_MAX_CMD 3
還有對命令進行解析的宏，用來確定具體命令的四個部分（方向，大小，類型，序號）具體如下所示：
/*確定命令的方向*/
_IOC_DIR(nr)
/*確定命令的類型*/
_IOC_TYPE(nr)
/*確定命令的序號*/
_IOC_NR(nr)
/*確定命令的大小*/
_IOC_SIZE(nr)
上面的幾個宏可以用來命令，實現命令正確性的檢查。
ioctl的實現過程主要包括如下的過程：
1、命令的檢測
2、指針參數的檢測
3、命令的控制switch-case語句
1、命令的檢測主要包括類型的檢查，數據大小，序號的檢測，通過結合上面的命令解析宏可以快速的確定。
/*檢查類型，幻數是否正確*/
if(_IOC_TYPE(cmd)!=MAGIC_NUM)
return -EINVAL;
/*檢測命令序號是否大于允許的最大序號*/
if(_IOC_NR(cmd)> MEM_MAX_CMD)
return -EINVAL;
2、主要是指針參數的檢測。指針參數主要是因為內核空間和用戶空間的差異性導致的，因此需要來自用戶空間指針的有效性。使用copy_from_user,copy_to_user,get_user,put_user之類的函數時，由于函數會實現指針參量的檢測，因此可以省略，但是采用__get_user(),__put_user()之類的函數時一定要進行檢測。具體的檢測方法如下所示：
if(_IOC_DIR(cmd) & _IOC_READ)
err = !access_ok(VERIFY_WRITE,(void *)args,_IOC_SIZE(cmd));
else if(_IOC_DIR(cmd) & _IOC_WRITE)
err = !access_ok(VERIFY_READ,(void *)args,_IOC_SIZE(cmd));
if(err)/*返回錯誤*/
return -EFAULT;
當方向是讀時，說明是從設備讀數據到用戶空間，因此要檢測用戶空間的指針是否可寫，采用VERIFY_WRITE，而當方向是寫時，說明是往設備中寫數據，因此需要檢測用戶空間中的指針的可讀性VERIFY_READ。檢查通常采用access_ok()實現檢測，第一個參數為讀寫，第二個為檢測的指針，第三個為數據的大小。
3、命名的控制：
命令的控制主要是采用switch和case相結合實現的，這于window編程中的檢測各種消息的實現方式是相同的。
/*根據命令執行相應的操作*/
switch(cmd)
{
case MEMDEV_PRINTF:
printk("<--------CMD MEMDEV_PRINTF Done------------>\n\n");
...
break;
case MEMDEV_READ:
ioarg = &mem_devp->data;
...
ret = __put_user(ioarg,(int *)args);
ioarg = 0;
...
break;
case MEMDEV_WRITE:
...
ret = __get_user(ioarg,(int *)args);
printk("<--------CMD MEMDEV_WRITE Done ioarg = %d--------->\n\n",ioarg);
ioarg = 0;
...
break;
default:
ret = -EINVAL;
printk("<-------INVAL CMD--------->\n\n");
break;
}
這只是基本的框架結構，實際中根據具體的情況進行修改。這樣就實現了基本的命令控制。
文件操作支持的集合如下：
/*添加該模塊的基本文件操作支持*/
static const struct file_operations mem_fops =
{
/*結尾不是分號，注意其中的差別*/
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = mem_llseek,
.read = mem_read,
.write = mem_write,
.open = mem_open,
.release = mem_release,
/*添加新的操作支持*/
.unlocked_ioctl = mem_ioctl,
};
需要注意不是ioctl,而是unlocked_ioctl。
二、設備的堵塞讀寫方式實現，通常采用等待隊列。
設備的堵塞讀寫方式，默認情況下的讀寫操作都是堵塞型的，具體的就是如果需要讀數據，當設備中沒有數據可讀的時候應該等待設備中有設備再讀，當往設備中寫數據時，如果上一次的數據還沒有被讀完成，則不應該寫入數據，就會導致進程的堵塞，等待數據可讀寫。但是在應用程序中也可以采用非堵塞型的方式進行讀寫。只要在打開文件的時候添加一個O_NONBLOCK,這樣在不能讀寫的時候就會直接返回，而不會等待。
因此我們在實際設計驅動設備的同時需要考慮讀寫操作的堵塞方式。堵塞方式的設計主要是通過等待隊列實現，通常是將等待隊列（實質就是一個鏈表）的頭作為設備數據結構的一部分。在設備初始化過程中初始化等待隊列的頭。最后在設備讀寫操作的實現添加相應的等待隊列節點，并進行相應的控制。
等待隊列的操作基本如下：
1、等待隊列的頭定義并初始化的過程如下：
方法一：
struct wait_queue_head_t mywaitqueue;
init_waitqueue_head(&mywaitqueue);
方法二：
DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(mywaitqueue);
以上的兩種都能實現定義和初始化等待隊列頭。
2、創建、移除一個等待隊列的節點，并添加、移除相應的隊列。
定義一個等待隊列的節點:DECLARE_WAITQUEUE(wait,tsk)
其中tsk表示一個進程，可以采用current當前的進程。
添加到定義好的等待隊列頭中。
add_wait_queue(wait_queue_head_t *q,wait_queue_t *wait);
即：add_wait_queue(&mywaitqueue,&wait);
移除等待節點
remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q,wait_queue_t *wait);
即：remove_wait_queue(&mywaitqueue,&wait);
3、等待事件
wait_event(queue,condition);當condition為真時，等待隊列頭queue對應的隊列被喚醒，否則繼續堵塞。這種情況下不能被信號打斷。
wait_event_interruptible(queue,condition);當condition為真時，等待隊列頭queue對應的隊列被喚醒，否則繼續堵塞。這種情況下能被信號打斷。
4、喚醒等待隊列
wait_up(wait_queue_head_t *q),喚醒該等待隊列頭對應的所有等待。
wait_up_interruptible(wait_queue_head_t *q)喚醒處于TASK_INTERRUPTIBLE的等待進程。
應該成對的使用。即wait_event于wait_up,而wait_event_interruptible與wait_up_interruptible。
wait_event和wait_event_interruptible的實現都是采用宏的方式，都是一個重新調度的過程，如下所示：
#define wait_event_interruptible(wq, condition) \
({ \
int __ret = 0; \
if (!(condition)) \
__wait_event_interruptible(wq, condition, __ret); \
__ret; \
})
#define __wait_event_interruptible(wq, condition, ret) \
do { \
/*此處存在一個聲明等待隊列的語句，因此不需要再重新定義一個等待隊列節點*/
DEFINE_WAIT(__wait); \
\
for (;;) { \
/*此處就相當于add_wait_queue()操作，具體參看代碼如下所示*/
prepare_to_wait(&wq, &__wait, TASK_INTERRUPTIBLE); \
if (condition) \
break; \
if (!signal_pending(current)) { \
/*此處是調度，丟失CPU，因此需要wake_up函數喚醒當前的進程
根據定義可知，如果條件不滿足，進程就失去CPU,能夠跳出for循環的出口只有
1、當條件滿足時2、當signal_pending（current）=1時。
1、就是滿足條件，也就是說wake_up函數只是退出了schedule函數，
而真正退出函數還需要滿足條件
2、說明進程可以被信號喚醒。也就是信號可能導致沒有滿足條件時就喚醒當前的進程。
這也是后面的代碼采用while判斷的原因.防止被信號喚醒。
*/
schedule(); \
continue; \
} \
ret = -ERESTARTSYS; \
break; \
} \
finish_wait(&wq, &__wait); \
} while (0)
#define DEFINE_WAIT(name) DEFINE_WAIT_FUNC(name, autoremove_wake_function)
#define DEFINE_WAIT_FUNC(name, function) \
wait_queue_t name = { \
.private = current, \
.func = function, \
.task_list = LIST_HEAD_INIT((name).task_list), \
}
void prepare_to_wait(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait, int state)
{
unsigned long flags;
wait->flags &= ~WQ_FLAG_EXCLUSIVE;
spin_lock_irqsave(&q->lock, flags);
if (list_empty(&wait->task_list))
/*添加節點到等待隊列*/
__add_wait_queue(q, wait);
set_current_state(state);
spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);
}
喚醒的操作也是類似的。
#define wake_up_interruptible(x) __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 1, NULL)
void __wake_up(wait_queue_head_t *q, unsigned int mode,
int nr_exclusive, void *key)
{
unsigned long flags;
spin_lock_irqsave(&q->lock, flags);
__wake_up_common(q, mode, nr_exclusive, 0, key);
spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);
}
static void __wake_up_common(wait_queue_head_t *q, unsigned int mode,
int nr_exclusive, int wake_flags, void *key)
{
wait_queue_t *curr, *next;
list_for_each_entry_safe(curr, next, &q->task_list, task_list) {
unsigned flags = curr->flags;
if (curr->func(curr, mode, wake_flags, key) &&
(flags & WQ_FLAG_EXCLUSIVE) && !--nr_exclusive)
break;
}
}
等待隊列通常用在驅動程序設計中的堵塞讀寫操作，并不需要手動的添加節點到隊列中，直接調用即可實現，具體的實現方法如下：
1、在設備結構體中添加等待隊列頭，由于讀寫都需要堵塞，所以添加兩個隊列頭，分別用來堵塞寫操作，寫操作。
#include<linux/wait.h>
struct mem_dev
{
char *data;
unsigned long size;
/*添加一個并行機制*/
spinlock_t lock;
/*添加一個等待隊列t頭*/
wait_queue_head_t rdqueue;
wait_queue_head_t wrqueue;
};
2、然后在模塊初始化中初始化隊列頭:
/*初始化函數*/
static int memdev_init(void)
{
....
for(i = 0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i)
{
mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;
/*對設備的數據空間分配空間*/
mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE,GFP_KERNEL);
/*問題，沒有進行錯誤的控制*/
memset(mem_devp[i].data,0,MEMDEV_SIZE);
/*初始化定義的互信息量*/
//初始化定義的自旋鎖ua
spin_lock_init(&(mem_devp[i].lock));
/*初始化兩個等待隊列頭,需要注意必須用括號包含起來，使得優先級正確*/
init_waitqueue_head(&(mem_devp[i].rdqueue));
init_waitqueue_head(&(mem_devp[i].wrqueue));
}
...
}
3、確定一個具體的條件，比如數據有無，具體的條件根據實際的情況設計。
/*等待條件*/
static bool havedata = false;
4、在需要堵塞的讀函數，寫函數中分別實現堵塞，首先定義等待隊列的節點，并添加到隊列中去，然后等待事件的喚醒進程。但是由于讀寫操作的兩個等待隊列都是基于條件havedata的，所以在讀完成以后需要喚醒寫，寫完成以后需要喚醒讀操作，同時更新條件havedata，最后還要移除添加的等待隊列節點。
/*read函數的實現*/
static ssize_t mem_read(struct file *filp,char __user *buf, size_t size,loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
struct mem_dev *dev = filp->private_data;
/*參數的檢查，首先判斷文件位置*/
if(p >= MEMDEV_SIZE)
return 0;
/*改正文件大小*/
if(count > MEMDEV_SIZE - p)
count = MEMDEV_SIZE - p;
#if 0
/*添加一個等待隊列節點到當前進程中*/
DECLARE_WAITQUEUE(wait_r,current);
/*將節點添加到等待隊列中*/
add_wait_queue(&dev->rdqueue,&wait_r);
/*添加等待隊列，本來采用if即可，但是由于信號等可能導致等待隊列的喚醒，因此采用循環，確保不會出現誤判*/
#endif
while(!havedata)
{
/*判斷用戶是否設置為非堵塞模式讀,告訴用戶再讀*/
if(filp->f_flags & O_NONBLOCK)
return -EAGAIN;
/*依據條件havedata判斷隊列的狀態，防止進程被信號喚醒*/
wait_event_interruptible(dev->rdqueue,havedata);
}
spin_lock(&dev->lock);
/*從內核讀數據到用戶空間，實質就通過private_data訪問設備*/
if(copy_to_user(buf,(void *)(dev->data p),count))
{
/*出錯誤*/
ret = -EFAULT;
}
else
{
/*移動當前文件光標的位置*/
*ppos = count;
ret = count;
printk(KERN_INFO "read %d bytes(s) from %d\n",count,p);
}
spin_unlock(&dev->lock);
#if 0
/*將等待隊列節點從讀等待隊列中移除*/
remove_wait_queue(&dev->rdqueue,&wait_r);
#endif
/*更新條件havedate*/
havedata = false;
/*喚醒寫等待隊列*/
wake_up_interruptible(&dev->wrqueue);
return ret;
}
/*write函數的實現*/
static ssize_t mem_write(struct file *filp,const char __user *buf,size_t size,loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
/*獲得設備結構體的指針*/
struct mem_dev *dev = filp->private_data;
/*檢查參數的長度*/
if(p >= MEMDEV_SIZE)
return 0;
if(count > MEMDEV_SIZE - p)
count = MEMDEV_SIZE - p;
#if 0
/*定義并初始化一個等待隊列節點，添加到當前進程中*/
DECLARE_WAITQUEUE(wait_w,current);
/*將等待隊列節點添加到等待隊列中*/
add_wait_queue(&dev->wrqueue,&wait_w);
#endif
/*添加寫堵塞判斷*/
/*為何采用循環是為了防止信號等其他原因導致喚醒*/
while(havedata)
{
/*如果是以非堵塞方式*/
if(filp->f_flags & O_NONBLOCK)
return -EAGAIN;
/*分析源碼發現，wait_event_interruptible 中存在DECLARE_WAITQUEUE和add_wait_queue的操作，因此不需要手動添加等待隊列節點*/
wait_event_interruptible(&dev->wrqueue,(!havedata));
}
spin_lock(&dev->lock);
if(copy_from_user(dev->data p,buf,count))
ret = -EFAULT;
else
{
/*改變文件位置*/
*ppos = count;
ret = count;
printk(KERN_INFO "writted %d bytes(s) from %d\n",count,p);
}
spin_unlock(&dev->lock);
#if 0
/*將該等待節點移除*/
remove_wait_queue(&dev->wrqueue,&wait_w);
#endif
/*更新條件*/
havedata = true;
/*喚醒讀等待隊列*/
wake_up_interruptible(&dev->rdqueue);
return ret;
}
5、應用程序采用兩個不同的進程分別進行讀、寫，然后檢測順序是否可以調換，檢查等待是否正常。