字符设备驱动--异步通知、同步互斥阻塞

异步通知

前面的字符设备驱动中，介绍了读取按键驱动程序的方法，存在一些不足之处：

①直接查询：耗资源

②中断 ：read（）函数一直等待，无返回

③poll: 指定超时时间

这三者都是应用程序主动去读，如果要驱动提醒应用程序去读，则要用到异步通知，发送信号量。

进程间发信号的方法：killl -9 pid （发 9 接）

信号处理函数的格式 Linux内核： man signal

SYNOPSIS
#include <signal.h>

typedef void (*sighandler_t)(int);

sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler);

编写应用程序signal.c

#include <stdio.h>
#include <signal.h>

void my_signal_fun(int signum)//信号的处理函数
{
static int cnt=0;
printf("signal=%d,%d times\n",signum,++cnt);

}

int main (int argc , char **argv)
{

signal (SIGUSR1,my_signal_fun);//系统调用，给信号SIGUSR1挂接处理函数
while(1)
{
sleep(1000);
}

return 0;
}

signal处于睡眠状态。

发信号 kill -USR1 772 退出 kill -9 772



信号量的发送步骤:注册信号处理函数，谁发，发给谁，怎么发。

编写驱动程序目的：按下按键,驱动提醒应用程序去读。

应用程序：注册信号处理函数，谁发 :驱动，发给谁 ： APP –APP要告知驱动pid，怎么发 ： kill fasync。

结合fasync文档：

为了使设备支持异步通知机制，驱动程序中涉及以下3项工作：

一. 支持F_SETOWN命令，能在这个控制命令处理中设置filp->f_owner为对应进程ID。

不过此项工作已由内核完成，设备驱动无须处理。

(应用程序调用F_SETOWN，F_SETOWN在驱动程序里面设置进程ID.)

二. 支持F_SETFL命令的处理，每当FASYNC标志改变时，驱动程序中的fasync()函数将得以执行。

驱动中应该实现fasync()函数。

三. 在设备资源可获得时，调用kill_fasync()函数激发相应的信号

应用程序：

fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());  // 告诉内核，发给谁
Oflags = fcntl(fd, F_GETFL);   //读回原F_GETFL
fcntl(fd, F_SETFL, Oflags | FASYNC);  // 改变fasync标记，最终会调用到驱动的faync > fasync_helper：初始化/释放fasync_struct

驱动程序fifth_drv.c

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/irq.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/irq.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/arch/regs-gpio.h>
#include <asm/hardware.h>
#include <linux/poll.h>

static struct class *fifthdrv_class;
static struct class_device  *fifthdrv_class_dev;

volatile unsigned long *gpfcon;
volatile unsigned long *gpfdat;

volatile unsigned long *gpgcon;
volatile unsigned long *gpgdat;

static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(button_waitq);

/* 中断事件标志, 中断服务程序将它置1，fifth_drv_read将它清0 */
static volatile int ev_press = 0;

static struct fasync_struct *button_async;

struct pin_desc{
unsigned int pin;
unsigned int key_val;
};

/* 键值: 按下时, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04 */
/* 键值: 松开时, 0x81, 0x82, 0x83, 0x84 */
static unsigned char key_val;

struct pin_desc pins_desc[4] = {
{S3C2410_GPF0, 0x01},
{S3C2410_GPF2, 0x02},
{S3C2410_GPG3, 0x03},
{S3C2410_GPG11, 0x04},
};

/*
* 确定按键值
*/
static irqreturn_t buttons_irq(int irq, void *dev_id)
{
struct pin_desc * pindesc = (struct pin_desc *)dev_id;
unsigned int pinval;

pinval = s3c2410_gpio_getpin(pindesc->pin);

if (pinval)
{
/* 松开 */
key_val = 0x80 | pindesc->key_val;
}
else
{
/* 按下 */
key_val = pindesc->key_val;
}

ev_press = 1;                  /* 表示中断发生了 */
wake_up_interruptible(&button_waitq);   /* 唤醒休眠的进程 */

kill_fasync (&button_async, SIGIO, POLL_IN);

return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);
}

static int fifth_drv_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
/* 配置GPF0,2为输入引脚 */
/* 配置GPG3,11为输入引脚 */
request_irq(IRQ_EINT0,  buttons_irq, IRQT_BOTHEDGE, "S2", &pins_desc[0]);
request_irq(IRQ_EINT2,  buttons_irq, IRQT_BOTHEDGE, "S3", &pins_desc[1]);
request_irq(IRQ_EINT11, buttons_irq, IRQT_BOTHEDGE, "S4", &pins_desc[2]);
request_irq(IRQ_EINT19, buttons_irq, IRQT_BOTHEDGE, "S5", &pins_desc[3]);

return 0;
}

ssize_t fifth_drv_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
if (size != 1)
return -EINVAL;

/* 如果没有按键动作, 休眠 */
wait_event_interruptible(button_waitq, ev_press);

/* 如果有按键动作, 返回键值 */
copy_to_user(buf, &key_val, 1);
ev_press = 0;

return 1;
}

int fifth_drv_close(struct inode *inode, struct file *file)
{
free_irq(IRQ_EINT0, &pins_desc[0]);
free_irq(IRQ_EINT2, &pins_desc[1]);
free_irq(IRQ_EINT11, &pins_desc[2]);
free_irq(IRQ_EINT19, &pins_desc[3]);
return 0;
}

static unsigned fifth_drv_poll(struct file *file, poll_table *wait)
{
unsigned int mask = 0;
poll_wait(file, &button_waitq, wait); // 不会立即休眠

if (ev_press)
mask |= POLLIN | POLLRDNORM;

return mask;
}

static int fifth_drv_fasync (int fd, struct file *filp, int on)
{
printk("driver: fifth_drv_fasync\n");
return fasync_helper (fd, filp, on, &button_async);
}

static struct file_operations fifth_drv_fops = {
.owner   =  THIS_MODULE,    /* 这是一个宏，推向编译模块时自动创建的__this_module变量 */
.open    =  fifth_drv_open,
.read    =  fifth_drv_read,
.release =  fifth_drv_close,
.poll    =  fifth_drv_poll,
.fasync  =  fifth_drv_fasync,
};

int major;
static int fifth_drv_init(void)
{
major = register_chrdev(0, "fifth_drv", &fifth_drv_fops);

fifthdrv_class = class_create(THIS_MODULE, "fifth_drv");

fifthdrv_class_dev = class_device_create(fifthdrv_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "buttons"); /* /dev/buttons */

gpfcon = (volatile unsigned long *)ioremap(0x56000050, 16);
gpfdat = gpfcon + 1;

gpgcon = (volatile unsigned long *)ioremap(0x56000060, 16);
gpgdat = gpgcon + 1;

return 0;
}

static void fifth_drv_exit(void)
{
unregister_chrdev(major, "fifth_drv");
class_device_unregister(fifthdrv_class_dev);
class_destroy(fifthdrv_class);
iounmap(gpfcon);
iounmap(gpgcon);
return 0;
}

module_init(fifth_drv_init);

module_exit(fifth_drv_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

测试程序fifthdrvtest.c

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <poll.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>

/* fifthdrvtest
*/
int fd;

void my_signal_fun(int signum)
{
unsigned char key_val;
read(fd, &key_val, 1);
printf("key_val: 0x%x\n", key_val);
}

int main(int argc, char **argv)
{
unsigned char key_val;
int ret;
int Oflags;

signal(SIGIO, my_signal_fun);//SIGIO,IO口有数据可供读写

fd = open("/dev/buttons", O_RDWR);
if (fd < 0)
{
printf("can't open!\n");
}

fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());//应用程序告诉驱动，信号量发给谁

Oflags = fcntl(fd, F_GETFL);

fcntl(fd, F_SETFL, Oflags | FASYNC);//改变Oflags，设置为异步通信的Oflags

while (1)
{
sleep(1000);
}

return 0;
}

分析驱动程序和应用程序

fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());//应用程序调用F_SETOWN函数，告诉驱动程序进程号

Oflags = fcntl(fd, F_GETFL); //应用程序读出flage

fcntl(fd, F_SETFL, Oflags | FASYNC);//添加FASYNC

应用程序程序执行到此处，驱动程序的

static int fifth_drv_fasync (int fd, struct file *filp, int on)

{

printk(“driver: fifth_drv_fasync\n”);

return fasync_helper (fd, filp, on, &button_async);

}

将被调用，fasync_helper去初始化button_async结构体。此后，驱动程序的中断函数

static irqreturn_t buttons_irq(int irq, void *dev_id)

{

…

kill_fasync (&button_async, SIGIO, POLL_IN);//信号发送

}

可以使用button_async。

应用程序的信号的处理函数如下：

void my_signal_fun(int signum)

{

unsigned char key_val;

read(fd, &key_val, 1);

printf(“key_val: 0x%x\n”, key_val);

}

当驱动程序的中断服务程序中，如果按键按下，通过kill_fasync (&button_async, SIGIO, POLL_IN);

发送信号给应用程序，应用程序调用信号的处理函数。

测试结果：

同步互斥阻塞

目的：同一时刻，只能有一个app打开/dev/buttons

在程序中这样写：

static int canopen =1
...
static int sixth_drv_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
if(--canopen !=0)
{
canopen++;
return -EBUSY;
}
}

分析：

执行A程序open，–canopen后canopen=0，跳出接着执行

B程序open，–canopen后canopen=-1，canopen++后canopen=0， return -EBUSY.

–canopen包括读出修改和写回，linux多任务，此时如果在A程序中执行读出，任务被切换到B程序执行。

canopen现在的值为1,–canopen后canopen=0，跳出，程序接着执行，打开成功。切回A程序继续执行，修改和写回，

–canopen后canopen=-1，跳出，程序接着执行，打开成功。

漏洞：A、B都打开了设备！

解决：使“修改”这个过程变为一个不可打断的过程！

法1： 原子操作

原子操作指的是在执行过程中不会被别的代码路径所中断的操作。

常用原子操作函数举例：

atomic_t v = ATOMIC_INIT(0);     //定义原子变量v并初始化为0
atomic_read(atomic_t *v);        //返回原子变量的值
void atomic_inc(atomic_t *v);    //原子变量增加1
void atomic_dec(atomic_t *v);    //原子变量减少1
int atomic_dec_and_test(atomic_t *v); //自减操作后测试其是否为0，为0则返回true，否则返回false。

程序框架：

static atomic_t canopen = ATOMIC_INIT(1); //定义原子变量并初始化为1
...
static int sixth_drv_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
if (!atomic_dec_and_test(&canopen)) //自减操作后测试
{
atomic_inc(&canopen);
return -EBUSY;
}
}

int sixth_drv_close(struct inode *inode, struct file *file)
{
atomic_inc(&canopen);//释放
...
}

canopen值为1，自减为0返回true，!atomic_dec_and_test(&canopen)为0，跳出，程序接着执行打开驱动，

canopen如果被调用过，值会变为0。自减为-1返回false，!atomic_dec_and_test(&canopen)为1，atomic_inc(&canopen);

return -EBUSY;这样程序打开驱动只进行了一次。读出修改写回都在原子操作中，所以这里不能打开。

测试结果：



法2.信号量

信号量（semaphore）是用于保护临界区的一种常用方法，只有得到信号量的进程才能执行临界区代码。

当获取不到信号量时，进程进入休眠等待状态。

定义信号量

struct semaphore sem;

初始化信号量

void sema_init (struct semaphore *sem, int val);
void init_MUTEX(struct semaphore *sem);//初始化为0
static DECLARE_MUTEX(button_lock);     //定义互斥锁

获得信号量

void down(struct semaphore * sem);
int down_interruptible(struct semaphore * sem);
int down_trylock(struct semaphore * sem);

释放信号量

void up(struct semaphore * sem);

程序框架：

static DECLARE_MUTEX(button_lock);  //定义互斥锁
...
static int sixth_drv_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
if (file->f_flags & O_NONBLOCK)
{
if (down_trylock(&button_lock))
return -EBUSY;
}
else
{
/* 获取信号量 */
down(&button_lock);
}
...
}
...
int sixth_drv_close(struct inode *inode, struct file *file)
{
...
up(&button_lock);//释放
...
}

测试结果：

第二个测试程序无法打开，休眠状态





关第一个测试程序（释放第一个信号量），唤醒第二个测试程序（信号量）



法3： 阻塞

阻塞操作是指在执行设备操作时若不能获得资源则挂起进程，直到满足可操作的条件后再进行操作。

被挂起的进程进入休眠状态，被从调度器的运行队列移走，直到等待的条件被满足。

非阻塞操作

进程在不能进行设备操作时并不挂起，它或者放弃，或者不停地查询，直至可以进行操作为止。

fd = open("...", O_RDWR | O_NONBLOCK); //默认为阻塞，传入O_NONBLOCK则为非阻塞

程序框架：

static int sixth_drv_open(struct inode *inode, struct file *file)
{

if (file->f_flags & O_NONBLOCK)//如果是非阻塞
{
if (down_trylock(&button_lock))//如果无法获取信号量
return -EBUSY;
}
else
{
/* 获取信号量 */
down(&button_lock);
}
...
}

ssize_t sixth_drv_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
if (size != 1)
return -EINVAL;

if (file->f_flags & O_NONBLOCK)
{
if (!ev_press)//没有按键发生
return -EAGAIN;
}
else
{
/* 如果没有按键动作, 休眠 */
wait_event_interruptible(button_waitq, ev_press);
}

/* 如果有按键动作, 返回键值 */
copy_to_user(buf, &key_val, 1);
ev_press = 0;

return 1;
}

测试结果，阻塞方式：

睡眠状态



按键按下，中断服务出现唤醒read函数，读取键值，返回1.



非阻塞方式：

立即返回-1，按键按下立即返回键值