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(gè)用C語言寫成，符合POSIX標(biāo)準(zhǔn)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(fèi)的類Unix操作系統(tǒng)而開發(fā)的。該計(jì)劃開始于1991年，在計(jì)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(jì)劃無償提供幫助。 技術(shù)上說Linux是一個(gè)內(nèi)核。“內(nèi)核”指的是一個(gè)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(gè)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?yàn)槲也恢肋€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?yàn)槲仪耙魂囎颖籭octl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(jìn)行管理的函數(shù)。所謂對I/O通道進(jìn)行管理，就是對設(shè)備的一些特性進(jìn)行控制，例如串口的傳輸波特率、馬達(dá)的轉(zhuǎn)速等等。它的調(diào)用個(gè)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(shí)使用open函數(shù)返回的文件標(biāo)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(bǔ)充參數(shù)，一般最多一個(gè)，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(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)write的時(shí)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(dǎo)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(shí)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(shí)現(xiàn)這些命令，這都是驅(qū)動程序要做的事情。

　　三、 ioctl如何實(shí)現(xiàn)

　　這是一個(gè)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(shí)現(xiàn)聯(lián)系在一起的了。

　　我這里說一個(gè)大概思路，因?yàn)槲矣X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(shí)間來看。

　　在驅(qū)動程序中實(shí)現(xiàn)的ioctl函數(shù)體內(nèi)，實(shí)際上是有一個(gè)switch{case}結(jié)構(gòu)，每一個(gè)case對應(yīng)一個(gè)命令碼，做出一些相應(yīng)的操作。怎么實(shí)現(xiàn)這些操作，這是每一個(gè)程序員自己的事情，因?yàn)樵O(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?yàn)樵趇octl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?yàn)槲覀円欢ㄒ龅矫詈驮O(shè)備是一一對應(yīng)的，這樣才不會將正確的命令發(fā)給錯(cuò)誤的設(shè)備，或者是把錯(cuò)誤的命令發(fā)給正確的設(shè)備，或者是把錯(cuò)誤的命令發(fā)給錯(cuò)誤的設(shè)備。這些錯(cuò)誤都會導(dǎo)致不可預(yù)料的事情發(fā)生，而當(dāng)程序員發(fā)現(xiàn)了這些奇怪的事情的時(shí)候，再來調(diào)試程序查找錯(cuò)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(gè)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(gè)命令就變成了一個(gè)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(biāo)明這個(gè)命令對應(yīng)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(gè)地方，那就是"幻數(shù)"。

　　幻數(shù)是一個(gè)字母，數(shù)據(jù)長度也是8，所以就用一個(gè)特定的字母來標(biāo)明設(shè)備類型，這和用一個(gè)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(fù)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?yàn)樗容^短小，功能比較簡單，可以看明白ioctl的功能和細(xì)節(jié)。

　　四、 cmd參數(shù)如何得出

　　這里確實(shí)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(gè)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(gè)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(jìn)行相應(yīng)的操作。

　　要透徹理解，只能是通過閱讀源代碼，我這篇文章實(shí)際上只是一個(gè)引子。Cmd參數(shù)的組織還是比較復(fù)雜的，我認(rèn)為要搞熟它還是得花不少時(shí)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(shí)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?yàn)閷υO(shè)備的I/O控制都是通過這一部分的代碼實(shí)現(xiàn)的。謝謝大家的閱讀，希望能幫到大家。