Linux ioctl 系統呼叫完整解析：命令編碼機制與實作範例

ioctl 是裝置驅動程式中用於控制 I/O 裝置的關鍵系統呼叫。本文深入解析 Linux 核心中 ioctl 命令碼的位元結構、巨集定義、方向碼含義，並提供完整程式範例。

函數原型

int ioctl(int handle, int cmd, ...);

命令碼位元結構（include/asm/ioctl.h）

方向碼定義

• _IOC_NONE (0) — 無資料傳輸
• _IOC_WRITE (1) — 使用者空間 → 驅動程式（寫入裝置）
• _IOC_READ (2) — 驅動程式 → 使用者空間（從裝置讀取）

命令碼建構巨集

// 無參數命令
#define _IO(type,nr) _IOC(_IOC_NONE, type, nr, 0)

// 讀取資料（驅動→用戶）
#define _IOR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ, type, nr, sizeof(size))

// 寫入資料（用戶→驅動）
#define _IOW(type,nr,size) _IOC(_IOC_WRITE, type, nr, sizeof(size))

// 雙向傳輸
#define _IOWR(type,nr,size) _IOC(_IOC_READ|_IOC_WRITE, type, nr, sizeof(size))

命令碼解析巨集

#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)

Sound 子系統相容巨集

#define IOC_IN     (_IOC_WRITE << _IOC_DIRSHIFT)
#define IOC_OUT    (_IOC_READ  << _IOC_DIRSHIFT)
#define IOC_INOUT  ((_IOC_WRITE|_IOC_READ) << _IOC_DIRSHIFT)

程式範例：偵測磁碟機是否可移除

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/ioctl.h>

int main(void) {
    int stat;
    // 功能碼 8：檢查預設磁碟機是否可移除
    stat = ioctl(0, 8, 0, 0);
    if (!stat)
        printf("Drive %c is removable.\n", getdisk() + 'A');
    else
        printf("Drive %c is not removable.\n", getdisk() + 'A');
    return 0;
}

此範例展示如何直接使用 ioctl 進行底層裝置控制。