最全Linux驱动开发八股文（十）

你好，我是拉依达。

这是我的Linux驱动开发八股文详细解析系列。

本系列最开始是我在csdn上更新的文章，目前已经是csdn搜索“linux驱动”综合推荐第一名，累计阅读次数4w次。

全文总字数近8w字，是目前全网最全面，最清晰的入门linux驱动学习资料。

现重新对内容进行整理，希望可以帮助到更多学习嵌入式的同学。

【下面是拉依达推荐学习相关专栏：】
一、Linux驱动学习专栏：拉依达的Linux驱动八股文 - 牛客网
二、Linux应用学习专栏：拉依达的Linux应用八股文 - 牛客网
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十一、设备控制接口（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。有些命令是实在找不到对应的操作函数, 拓展一些file_operations给出的接口中没有的自定义功能，则需要使用到ioctl()函数。一些没办法归类的函数就统一放在ioctl这个函数操作中，通过指定的命令来实现对应的操作。

alt

11.1 应用层

需要规定一些命令码，这些命令码在应用程序和驱动程序中需要保持一致。应用程序只需向驱动程序下发一条指令码，用来通知它执行哪条命令。

#include <sys/ioctl.h>
int ioctl(int fd, unsigned long request, (...)arg);

fd：文件描述符
request：命令码，应用程序通过下发命令码来控制驱动程序完成对应操作。
(...)arg：可变参数arg，一些情况下应用程序需要向驱动程序传参，参数就通过arg来传递。只能传递一个参数，但内核不会检查这个参数的类型。那么就有两种传参方式：只传一个整数，传递一个指针。
返回值：如果ioctl执行成功，它的返回值就是驱动程序中ioctl接口给的返回值，驱动程序可以通过返回值向用户程序传参。但驱动程序最好返回一个非负数，因为用户程序中的ioctl运行失败时一定会返回-1并设置全局变量errorno。

11.2 驱动层

驱动程序的ioctl函数体中，实现了一个switch-case结构，每一个case对应一个命令码，case内部是驱动程序实现该命令的相关操作。

#include <linux/ioctl.h>
long (*unlocked_ioctl) (struct file * fp, unsigned int request, unsigned long args);
long (*compat_ioctl) (struct file * fp, unsigned int request, unsigned long args);

inode和fp用来确定被操作的设备
request就是用户程序下发的命令
args就是用户程序在必要时传递的参数
返回值：可以在函数体中随意定义返回值，这个返回值也会被直接返回到用户程序中。通常使用非负数表示正确的返回，而返回一个负数系统会判定为ioctl调用失败。
unlocked_ioctl在无大内核锁（BKL）的情况下调用。64位用户程序运行在64位的kernel，或32位的用户程序运行在32位的kernel上，都是调用unlocked_ioctl函数。
compat_ioctl是64位系统提供32位ioctl的兼容方法，也在无大内核锁的情况下调用。即如果是32位的用户程序调用64位的kernel，则会调用compat_ioctl。如果驱动程序没有实现compat_ioctl，则用户程序在执行ioctl时会返回错误Not a typewriter。
在字符设备驱动开发中，一般情况下只要实现 unlocked_ioctl 函数即可，因为在 vfs 层的代码是直接调用 unlocked_ioctl 函数

12.2 ioctr应用和驱动的协议

ioctl函数的第二个参数 cmd 为用户与驱动的协议，理论上可以为任意 int 型数据，，但是为了确保该协议的唯一性，ioctl 命令应该使用更科学严谨的方法赋值，在linux中，提供了一种 ioctl 命令的统一格式，将 32 位 int 型数据划分为四个位段，如下图所示：

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dir（direction）：ioctl 命令访问模式（数据传输方向），占据 2 bit，可以为 _IOC_NONE、_IOC_READ、_IOC_WRITE、_IOC_READ | _IOC_WRITE，分别指示了四种访问模式：无数据、读数据、写数据、读写数据
type（device type）：设备类型，占据 8 bit，也称为 “幻数” 或者 “魔数”，可以为任意 char 型字符，例如‘a’、’b’、’c’ 等等，其主要作用是使 ioctl 命令有唯一的设备标识
nr（number）：命令编号/序数，占据 8 bit，可以为任意 unsigned char 型数据，取值范围 0~255，如果定义了多个 ioctl 命令，通常从 0 开始编号递增
size：与体系结构相关，ARM下占14bit(_IOC_SIZEBITS)，如果数据是int，内核给这个赋的值就是sizeof(int)。

在内核中，提供了宏接口以生成上述格式的 ioctl 命令：

#include/uapi/asm-generic/ioctl.h
 
#define _IOC(dir,type,nr,size) \
    (((dir)  << _IOC_DIRSHIFT) | \
     ((type) << _IOC_TYPESHIFT) | \
     ((nr)   << _IOC_NRSHIFT) | \
     ((size) << _IOC_SIZESHIFT))

宏 _IOC() 衍生的接口来直接定义 ioctl 命令

#include/uapi/asm-generic/ioctl.h
 
/* used to create numbers */
#define _IO(type,nr)        _IOC(_IOC_NONE,(type),(nr),0)
#define _IOR(type,nr,size)  _IOC(_IOC_READ,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))
#define _IOW(type,nr,size)  _IOC(_IOC_WRITE,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))
#define _IOWR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE,(type),(nr),(_IOC_TYPECHECK(size)))

_IO(type, nr)：用来定义不带参数的ioctl命令
_IOR(type,nr,size)：用来定义用户程序向驱动程序写参数的ioctl命令
_IOW(type,nr,size)：用来定义用户程序从驱动程序读参数的ioctl命令
_IOWR(type,nr,size)：用来定义带读写参数的驱动命令

内核还提供了反向解析 ioctl 命令的宏接口：

// include/uapi/asm-generic/ioctl.h
/* used to decode ioctl numbers */
#define _IOC_DIR(nr)        (((nr) >> _IOC_DIRSHIFT) & _IOC_DIRMASK)
#define _IOC_TYPE(nr)       (((nr) >> _IOC_TYPESHIFT) & _IOC_TYPEMASK)
#define _IOC_NR(nr)     (((nr) >> _IOC_NRSHIFT) & _IOC_NRMASK)
#define _IOC_SIZE(nr)       (((nr) >> _IOC_SIZESHIFT) & _IOC_SIZEMASK)

_IOC_DIR(nr) ：提取方向
_IOC_TYPE(nr) ：提取幻数
_IOC_NR(nr) ：提取序数
_IOC_SIZE(nr) ：提取数据大小

十二、中断机制

中断是指 CPU 在执行程序的过程中，出现了某些突发事件急待处理， CPU 必须暂停当前程序的执行，转去处理突发事件，处理完毕后又返回原程序被中断的位置继续执行。

12.1 中断API函数

获取中断号函数 每个中断都有一个中断号，通过中断号即可区分不同的中断。在 Linux 内核中使用一个 int 变量表示中断号，

或者中断号，中断信息一般写到了设备树里面，可以通过 irq_of_parse_and_map 函数从 interupts 属性中提取到对应的设备号。
```
unsigned int irq_of_parse_and_map(struct device_node *dev,int index)
```
- dev：设备节点
- index：索引号， interrupts 属性可能包含多条中断信息，通过 index 指定要获取的信息。
- 返回值：中断号
使用 GPIO 的话，可以使用 gpio_to_irq 函数来获取 gpio 对应的中断号
```
int gpio_to_irq(unsigned int gpio)
```
- gpio：要获取的 GPIO 编号
- 返回值： GPIO 对应的中断号
申请中断函数 Linux 内核中要想使用某个中断是需要申请的， request_irq 函数用于申请中断， request_irq函数可能会导致睡眠，因此不能在中断上下文或者其他禁止睡眠的代码段中使用 request_irq 函数。 request_irq 函数会激活(使能)中断，所以不需要手动去使能中断。
```
int request_irq(unsigned int irq,
                irq_handler_t handler,
                unsigned long flags,
                const char *name,
                void *dev)
```

irq：要申请中断的中断号
handler：中断处理函数，当中断发生会执行此中断处理函数
flags：中断标志，可以在文件 include/linux/interrupt.h 里面查看所有的中断标志
name：中断名字，设置以后可以在/proc/interrupts 文件中看到对应的中断名字
dev：如果将 flags 设置为 IRQF_SHARED， dev 用来区分不同的中断，一般情况下将dev 设置为设备结构体， dev 会传递给中断处理函数 irq_handler_t 的第二个参数。
返回值： 0 中断申请成功，负值中断申请失败，如果返回-EBUSY 表示中断已经被申请了

中断标志

中断释放函数 中断使用完成以后就要通过 free_irq 函数释放掉相应的中断。 如果中断不是共享的，free_irq 会删除中断处理函数并且禁止中断。
```
void free_irq(unsigned int irq,void *dev)
```
- irq：要释放的中断号
- dev：如果中断设置为共享(IRQF_SHARED)，此参数用来区分具体的中断。共享中断只有在释放最后中断处理函数的时候才会被禁止掉
中断处理函数

使用 request_irq 函数申请中断的时候需要设置中断处理函数
```
irqreturn_t (*irq_handler_t) (int, void *)
```
- 第一个参数：要中断处理函数要相应的中断号
- 第二个参数：一个指向 void 的指针，是个通用指针，需要与 request_irq 函数的 dev 参数保持一致。用于区分共享中断的不同设备，dev 也可以指向设备数据结构
- 返回值：irqreturn_t 类型
  
  irqreturn_t 类型定义如下所示：
```
enum irqreturn {
    IRQ_NONE = (0 << 0),
    IRQ_HANDLED = (1 << 0),
    IRQ_WAKE_THREAD = (1 << 1),
};
typedef enum irqreturn irqreturn_t;
```
  irqreturn_t 是个枚举类型，一共有三种返回值。一般中断服务函数返回值使用如下形式
```
return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED)
```
中断使能和禁止函数

enable_irq 和 disable_irq 用于使能和禁止指定的中断。
```
void enable_irq(unsigned int irq)
void disable_irq(unsigned int irq)
void disable_irq_nosync(unsigned int irq)
```
- irq：要禁止的中断号
- disable_irq 函数要等到当前正在执行的中断处理函数执行完才返回，因此需要保证不会产生新的中断，并且确保所有已经开始执行的中断处理程序已经全部退出。
- disable_irq_nosync 函数调用以后立即返回，不会等待当前中断处理程序执行完毕。
使能/关闭全局中断
```
local_irq_enable()
local_irq_disable()
```
- local_irq_enable 用于使能当前处理器中断系统，
- local_irq_disable 用于禁止当前处理器中断系统。
- 一般不能直接简单粗暴的通过这两个函数来打开或者关闭全局中断，这样会使系统崩溃。
在打开或者关闭全局中断时，要考虑到别的任务的感受，要保存中断状态，处理完后要将中断状态恢复到以前的状态
```
local_irq_save(flags)
local_irq_restore(flags)
```
- local_irq_save 函数用于禁止中断，并且将中断状态保存在 flags 中。
- local_irq_restore 用于恢复中断，将中断到 flags 状态。

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