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字元裝置驅動同步之互斥阻塞

阿新 • • 發佈：2019-02-05
先了解幾個概念：
臨界資源：一次只允許一個執行單元使用的資源稱為臨界資源。比如多臺電腦都可以使用同一臺印表機，但是，一個時刻只能有一臺電腦來控制他進行列印，所以印表機在這裡就是臨界資源。
臨界區：訪問共享資源的程式碼區域。就是執行單元訪問共享資源的那段程式碼就對啦。
併發：就是幾個程序一起執行。
競態：幾個程序同時訪問共享資源時發生
（上面之所以說是執行單元，不說程序是因為還有執行緒的存在）
什麼叫程序的同步？
百度一下：我們把非同步環境下的一組併發程序因直接制約而互相傳送訊息、進行互相合作、互相等待，使得各程序按一定的速度執行的過程稱為程序間的同步。
我的理解就是：程序之間步伐一致，他們之間能夠有配合的工作。

程序之間同步的實現需要一些規則來協調，通常比如：互斥、阻塞。
一、互斥：同一時刻只能有一個App開啟某個裝置或訪問某個資源
實現互斥的技巧：
(1)原子操作
驅動程式的任務：
①設定原子變數的值
atomic_t v = ATOMIC_INIT(1);//定義原子變數v初始化為1
②在即將訪問臨界資源前設定“使用中”標記，通常是：
if (!atomic_dec_and_test(&canopen))
{
atomic_inc(&canopen);
printk("Using now!\n");
return -EBUSY;
}
③在不使用資源時要將標記改成“未使用”
atomic_inc(&canopen);//釋放原子變數
程式碼實現：

atomic.c檔案

#include <linux/delay.h>
#include <linux/irq.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/irq.h>
#include <asm/io.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/device.h> 		//class_create
#include <mach/regs-gpio.h>		//S3C2410_GPF1 
#include <mach/hardware.h>
#include <linux/interrupt.h>  //wait_event_interruptible
#include <linux/fs.h>
#include <arch/arm/include/asm/atomic.h>

/* 定義並初始化等待佇列頭 */
static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(button_waitq);

////////////////////////////////////////////////////////////////////////
static atomic_t canopen = ATOMIC_INIT(1);     //定義原子變數並初始化為1
////////////////////////////////////////////////////////////////////////

static struct class *buttondev_class;
static struct device *buttons_device;

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

static struct pin_desc pins_desc[4] = {
		{S3C2410_GPF1,0x01}, //S3C2410_GPF1是對GPF1引腳這種“裝置”的編號dev_id
		{S3C2410_GPF4,0x02},
		{S3C2410_GPF2,0x03},
		{S3C2410_GPF0,0x04},
}; 
static int ev_press = 0;
static unsigned char key_val;
int major;

/* 中斷處理函式 */
static irqreturn_t handle_irq(int irq, void *dev_id)
{
	struct pin_desc *irq_pindesc = (struct pin_desc *)dev_id;//
	unsigned int pinval;
		
	pinval = s3c2410_gpio_getpin(irq_pindesc->pin);//獲取按鍵值:有按鍵按下返回按鍵值0
	/* 鍵值: 按下時, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04 */
	/* 鍵值: 鬆開時, 0x81, 0x82, 0x83, 0x84 */
	if(pinval)
	{
		/* 鬆開 */
		key_val = 0x80 | (irq_pindesc->key_val);
	}
	else
	{
		/* 按下 */
		key_val = irq_pindesc->key_val;
	}

	ev_press = 1;							/* 表示中斷已經發生 */
	wake_up_interruptible(&button_waitq);   /* 喚醒休眠的程序 */
	return IRQ_HANDLED;
}

static int buttons_dev_open(struct inode * inode, struct file * filp)
{
	///////////////////////////////////////////////////////////
	//實現互斥：原子操作
	if (!atomic_dec_and_test(&canopen))
	{
		atomic_inc(&canopen);
		printk("dev is using now!\n");
		return -EBUSY;
	}
	///////////////////////////////////////////////////////////
	request_irq(IRQ_EINT1, handle_irq, IRQ_TYPE_EDGE_FALLING, "K1",&pins_desc[0]);
	request_irq(IRQ_EINT4, handle_irq, IRQ_TYPE_EDGE_FALLING, "K2",&pins_desc[1]);
	request_irq(IRQ_EINT2, handle_irq, IRQ_TYPE_EDGE_FALLING, "K3",&pins_desc[2]);
	request_irq(IRQ_EINT0, handle_irq, IRQ_TYPE_EDGE_FALLING, "K4",&pins_desc[3]);
	return 0;
}

static int buttons_dev_close(struct inode *inode, struct file *file)
{
	//////////////////////////////////////////////////////////////
	atomic_inc(&canopen);//釋放原子變數
	//////////////////////////////////////////////////////////////
	free_irq(IRQ_EINT1,&pins_desc[0]);
	free_irq(IRQ_EINT4,&pins_desc[1]);
	free_irq(IRQ_EINT2,&pins_desc[2]);
	free_irq(IRQ_EINT0,&pins_desc[3]);
	
	return 0;
}

static ssize_t buttons_dev_read(struct file *file, char __user *user, size_t size,loff_t *ppos)
{
	if (size != 1)
			return -EINVAL;
	wait_event_interruptible(button_waitq, ev_press);//沒有按鍵就進入休眠
	copy_to_user(user, &key_val, 1);
	/* 將ev_press清零 */
	ev_press = 0;
	return 1;
}

/* File operations struct for character device */
static const struct file_operations buttons_dev_fops = {
	.owner		= THIS_MODULE,
	.open		= buttons_dev_open,
	.read		= buttons_dev_read,
	.release    = buttons_dev_close,
};

/* 驅動入口函式 */
static int buttons_dev_init(void)
{
	/* 主裝置號設定為0表示由系統自動分配主裝置號 */
	major = register_chrdev(0, "buttons_dev", &buttons_dev_fops);

	/* 建立buttondev類 */
	buttondev_class = class_create(THIS_MODULE, "buttondev");

	/* 在buttondev類下建立buttons裝置，供應用程式開啟裝置*/
	buttons_device = device_create(buttondev_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "buttons");//

	return 0;
}

/* 驅動出口函式 */
static void buttons_dev_exit(void)
{
	unregister_chrdev(major, "buttons_dev");
	device_unregister(buttons_device);  //解除安裝類下的裝置
	class_destroy(buttondev_class);		//解除安裝類
}

/* 模組載入和解除安裝函式的修飾 */
module_init(buttons_dev_init);  
module_exit(buttons_dev_exit); 

MODULE_AUTHOR("CLBIAO");
MODULE_DESCRIPTION("Just for Demon");
MODULE_LICENSE("GPL");  //遵循GPL協議
測試程式：

app_atomic.c

/* 檔案的編譯指令是arm-linux-gcc -static -o app_irq app_atomic.c */
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>   //sleep 
#include <stdio.h>

int main(int argc, char **argv)
{
	int flag,fd; 
	unsigned char key_val;
	
	fd = open("/dev/buttons", O_RDWR); //申請外部引腳中斷服務
	if (fd < 0)
	{
		printf("can't open!\n");//開啟失敗
		return -1;//返回
	}
	while(1)
	{
		read(fd,&key_val,1); 
   		printf("key_val = 0x%x\n",key_val); 
		sleep(3);
	}
	return 0;
}
執行結果：

(2)訊號量：只有得到訊號量的程序才能執行臨界區的程式碼。得不到的程序進入休眠狀態，直到有條件獲取訊號量，或者被其他程序終止。
驅動程式的任務：
①定義訊號量&初始化，通常使用下面的巨集
DECLARE_MUTEX(name);//定義一個名為name的訊號量，並初始化為1
②獲取訊號量

void down(struct semaphore * sem);//獲得訊號量sem，如果獲取不到，這個函式會導致休眠，休眠 不可以被訊號打斷，即使是“kill -9 pid”也不能將他退出，不要在中斷上下文中使用，因為它太固執了！

void down_interruptible(struct semaphore * sem);//進入睡眠狀態的程序能被訊號打斷
void down_trylock(struct semaphore * sem);//嘗試去獲取訊號量，成功返回0，失敗返回非零，不會導致呼叫程序休眠，可用於中斷上下文
“down”往下，讓我想到：在資源上插一支旗子，獲取他的人就把它拿下來，其他人就呵呵了^_^
③釋放訊號量
int up(struct semaphore * sem);//把訊號插回去，然後喚醒沉睡的人
程式碼實現：
#include <linux/delay.h>
#include <linux/irq.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/irq.h>
#include <asm/io.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/device.h> 		//class_create
#include <mach/regs-gpio.h>		//S3C2410_GPF1 
#include <mach/hardware.h>
#include <linux/interrupt.h>  //wait_event_interruptible
#include <linux/fs.h>
#include <linux/semaphore.h>

/* 定義並初始化等待佇列頭 */
static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(button_waitq);

////////////////////////////////////////////////////////////////////////
static DECLARE_MUTEX(button_lock);//(1)獲取訊號量量並初始化為1
////////////////////////////////////////////////////////////////////////

static struct class *buttondev_class;
static struct device *buttons_device;

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

static struct pin_desc pins_desc[4] = {
		{S3C2410_GPF1,0x01}, //S3C2410_GPF1是對GPF1引腳這種“裝置”的編號dev_id
		{S3C2410_GPF4,0x02},
		{S3C2410_GPF2,0x03},
		{S3C2410_GPF0,0x04},
}; 
static int ev_press = 0;
static unsigned char key_val;
int major;

/* 中斷處理函式 */
static irqreturn_t handle_irq(int irq, void *dev_id)
{
	struct pin_desc *irq_pindesc = (struct pin_desc *)dev_id;//
	unsigned int pinval;
		
	pinval = s3c2410_gpio_getpin(irq_pindesc->pin);//獲取按鍵值:有按鍵按下返回按鍵值0
	/* 鍵值: 按下時, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04 */
	/* 鍵值: 鬆開時, 0x81, 0x82, 0x83, 0x84 */
	if(pinval)
	{
		/* 鬆開 */
		key_val = 0x80 | (irq_pindesc->key_val);
	}
	else
	{
		/* 按下 */
		key_val = irq_pindesc->key_val;
	}

	ev_press = 1;							/* 表示中斷已經發生 */
	wake_up_interruptible(&button_waitq);   /* 喚醒休眠的程序 */
	return IRQ_HANDLED;
}

static int buttons_dev_open(struct inode * inode, struct file * filp)
{
	/////////////////////////////////////
	down(&button_lock);//(2)獲取訊號量
	////////////////////////////////////
	request_irq(IRQ_EINT1, handle_irq, IRQ_TYPE_EDGE_FALLING, "K1",&pins_desc[0]);
	request_irq(IRQ_EINT4, handle_irq, IRQ_TYPE_EDGE_FALLING, "K2",&pins_desc[1]);
	request_irq(IRQ_EINT2, handle_irq, IRQ_TYPE_EDGE_FALLING, "K3",&pins_desc[2]);
	request_irq(IRQ_EINT0, handle_irq, IRQ_TYPE_EDGE_FALLING, "K4",&pins_desc[3]);
	return 0;
}

static int buttons_dev_close(struct inode *inode, struct file *file)
{
	/////////////////////////////////////
	up(&button_lock);//(3)釋放訊號量
	////////////////////////////////////
	free_irq(IRQ_EINT1,&pins_desc[0]);
	free_irq(IRQ_EINT4,&pins_desc[1]);
	free_irq(IRQ_EINT2,&pins_desc[2]);
	free_irq(IRQ_EINT0,&pins_desc[3]);
	
	return 0;
}

static ssize_t buttons_dev_read(struct file *file, char __user *user, size_t size,loff_t *ppos)
{
	if (size != 1)
			return -EINVAL;
	wait_event_interruptible(button_waitq, ev_press);//沒有按鍵就進入休眠
	copy_to_user(user, &key_val, 1);
	/* 將ev_press清零 */
	ev_press = 0;
	return 1;
}

/* File operations struct for character device */
static const struct file_operations buttons_dev_fops = {
	.owner		= THIS_MODULE,
	.open		= buttons_dev_open,
	.read		= buttons_dev_read,
	.release    = buttons_dev_close,
};

/* 驅動入口函式 */
static int buttons_dev_init(void)
{
	/* 主裝置號設定為0表示由系統自動分配主裝置號 */
	major = register_chrdev(0, "buttons_dev", &buttons_dev_fops);

	/* 建立buttondev類 */
	buttondev_class = class_create(THIS_MODULE, "buttondev");

	/* 在buttondev類下建立buttons裝置，供應用程式開啟裝置*/
	buttons_device = device_create(buttondev_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "buttons");//

	return 0;
}

/* 驅動出口函式 */
static void buttons_dev_exit(void)
{
	unregister_chrdev(major, "buttons_dev");
	device_unregister(buttons_device);  //解除安裝類下的裝置
	class_destroy(buttondev_class);		//解除安裝類
}

/* 模組載入和解除安裝函式的修飾 */
module_init(buttons_dev_init);  
module_exit(buttons_dev_exit); 

MODULE_AUTHOR("CLBIAO");
MODULE_DESCRIPTION("Just for Demon");
MODULE_LICENSE("GPL");  //遵循GPL協議

測試程式和前面一個一樣。

執行結果：

      

(3)自旋鎖：就是得不到自旋鎖就“原地打轉”，程序一直跑不過是原地迴圈
使用和訊號量很相似，主要有：定義、初始化、獲得、釋放操作。
(4)中斷遮蔽：讓系統不能進行中斷，這樣就不會切換到其他程序來搶奪資源了。
使用方法：
①遮蔽中斷
local_irq_disable();
②臨界區安安心心地訪問資源
③開中斷
local_irq_enable();
二、阻塞和非阻塞
阻塞：不能獲得資源時掛起程序並進入睡眠狀態，直到資源到來。之前的驅動都是阻塞方式開啟的。這裡不再進行列舉程式。
app：open("...",O_RDWR);//open預設就是阻塞的方式開啟
非阻塞：無資源不掛起程序，之後放棄或不停的查詢。通常和訊號量配合使用。

app：open("...",O_RDWR|O_NONBLOCK);

非阻塞方式例程式：

nonblock.c檔案

#include <linux/delay.h>
#include <linux/irq.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/irq.h>
#include <asm/io.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/device.h> 		//class_create
#include <mach/regs-gpio.h>		//S3C2410_GPF1 
#include <mach/hardware.h>
#include <linux/interrupt.h>  //wait_event_interruptible
#include <linux/fs.h>
#include <linux/semaphore.h>

/* 定義並初始化等待佇列頭 */
static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(button_waitq);

////////////////////////////////////////////////////////////////////////
static DECLARE_MUTEX(button_lock);//(1)獲取訊號量量並初始化為1
////////////////////////////////////////////////////////////////////////

static struct class *buttondev_class;
static struct device *buttons_device;

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

static struct pin_desc pins_desc[4] = {
		{S3C2410_GPF1,0x01}, //S3C2410_GPF1是對GPF1引腳這種“裝置”的編號dev_id
		{S3C2410_GPF4,0x02},
		{S3C2410_GPF2,0x03},
		{S3C2410_GPF0,0x04},
}; 
static int ev_press = 0;
static unsigned char key_val;
int major;

/* 中斷處理函式 */
static irqreturn_t handle_irq(int irq, void *dev_id)
{
	struct pin_desc *irq_pindesc = (struct pin_desc *)dev_id;//
	unsigned int pinval;
		
	pinval = s3c2410_gpio_getpin(irq_pindesc->pin);//獲取按鍵值:有按鍵按下返回按鍵值0
	/* 鍵值: 按下時, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04 */
	/* 鍵值: 鬆開時, 0x81, 0x82, 0x83, 0x84 */
	if(pinval)
	{
		/* 鬆開 */
		key_val = 0x80 | (irq_pindesc->key_val);
	}
	else
	{
		/* 按下 */
		key_val = irq_pindesc->key_val;
	}

	ev_press = 1;							/* 表示中斷已經發生 */
	wake_up_interruptible(&button_waitq);   /* 喚醒休眠的程序 */
	return IRQ_HANDLED;
}

static int buttons_dev_open(struct inode * inode, struct file * filp)
{
	/////////////////////////////////////
	if (file->f_flags & O_NONBLOCK)//判斷是不是非阻塞方式
	{
		if (down_trylock(&button_lock))//嘗試獲取訊號量，沒有就走人，不等待！
			return -EBUSY;
	}
	else  //是阻塞方式就使用down函式，這樣可以進入睡眠
	{
		/* 獲取訊號量 */
		down(&button_lock);
	}
	////////////////////////////////////
	request_irq(IRQ_EINT1, handle_irq, IRQ_TYPE_EDGE_FALLING, "K1",&pins_desc[0]);
	request_irq(IRQ_EINT4, handle_irq, IRQ_TYPE_EDGE_FALLING, "K2",&pins_desc[1]);
	request_irq(IRQ_EINT2, handle_irq, IRQ_TYPE_EDGE_FALLING, "K3",&pins_desc[2]);
	request_irq(IRQ_EINT0, handle_irq, IRQ_TYPE_EDGE_FALLING, "K4",&pins_desc[3]);
	return 0;
}

static int buttons_dev_close(struct inode *inode, struct file *file)
{
	/////////////////////////////////////
	up(&button_lock);//(3)釋放訊號量
	////////////////////////////////////
	free_irq(IRQ_EINT1,&pins_desc[0]);
	free_irq(IRQ_EINT4,&pins_desc[1]);
	free_irq(IRQ_EINT2,&pins_desc[2]);
	free_irq(IRQ_EINT0,&pins_desc[3]);
	
	return 0;
}

static ssize_t buttons_dev_read(struct file *file, char __user *user, size_t size,loff_t *ppos)
{
	if (size != 1)
			return -EINVAL;
	/////////////////////////////////////////////////////////////////
	if (file->f_flags & O_NONBLOCK) //讀不到按鍵值立馬返回，不睡眠！
	{
		if (!ev_press)
			return -EAGAIN;
	}
	else
		wait_event_interruptible(button_waitq, ev_press);//沒有按鍵就進入休眠
	///////////////////////////////////////////////////////////////////
	copy_to_user(user, &key_val, 1);
	/* 將ev_press清零 */
	ev_press = 0;
	
	return 1;
}

/* File operations struct for character device */
static const struct file_operations buttons_dev_fops = {
	.owner		= THIS_MODULE,
	.open		= buttons_dev_open,
	.read		= buttons_dev_read,
	.release    = buttons_dev_close,
};

/* 驅動入口函式 */
static int buttons_dev_init(void)
{
	/* 主裝置號設定為0表示由系統自動分配主裝置號 */
	major = register_chrdev(0, "buttons_dev", &buttons_dev_fops);

	/* 建立buttondev類 */
	buttondev_class = class_create(THIS_MODULE, "buttondev");

	/* 在buttondev類下建立buttons裝置，供應用程式開啟裝置*/
	buttons_device = device_create(buttondev_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "buttons");//

	return 0;
}

/* 驅動出口函式 */
static void buttons_dev_exit(void)
{
	unregister_chrdev(major, "buttons_dev");
	device_unregister(buttons_device);  //解除安裝類下的裝置
	class_destroy(buttondev_class);		//解除安裝類
}

/* 模組載入和解除安裝函式的修飾 */
module_init(buttons_dev_init);  
module_exit(buttons_dev_exit); 

MODULE_AUTHOR("CLBIAO");
MODULE_DESCRIPTION("Just for Demon");
MODULE_LICENSE("GPL");  //遵循GPL協議

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一、linux系統將裝置分為3類：字元裝置、塊裝置、網路裝置。 應用程式呼叫的流程框圖： 三種裝置的定義分別如下， 字元裝置：只能一個位元組一個位元組的讀寫的裝置，不能隨機讀取裝置記憶體中的某一資料，讀取資料需要按照先後順序進行。字元裝置是面向流的裝置，常見的字元裝置如

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之前我們完成了關於通過查詢的方式獲取按鍵鍵值的驅動程式，可以參考：嵌入式Linux開發——裸板程式之中斷控制器。 雖然讀取鍵值沒有什麼問題，但是測試程式佔用CPU過高，一直在不斷的查詢，資源消耗過大，這個問題非常嚴重，我們必須要來解決一下。但是在解決這個問題之前，我們先來思考一個問題，除

Linux裝置驅動之《字元裝置驅動》

    Linux裝置中最大的特點就是裝置操作猶如檔案操作一般，在應用層看來，硬體裝置只是一個裝置檔案。應用程式可以像操作檔案一樣對硬體裝置進行操作，如open(),close(),read(),write()等。     下面是一個字元裝置驅動程式的簡單實現test.c  

linux驅動之字元裝置驅動

字元裝置驅動框架： cdev結構體： 描述字元裝置; dev_t：定義裝置號（分為主、次裝置號）以確定字元裝置的唯一性; file_operations：定義字元裝置驅動提供給VFS的介面函式，如常見的open()、read()、write()等;

Linux裝置驅動之mmap裝置操作(memdev.c字元裝置驅動分析)

from:  1.mmap系統呼叫 void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset); 功能：負責把檔案內容對映到程序的虛擬地址空間，通過對這段記憶體的

第16章 驅動開發之字元裝置驅動程式框架

16.1 字元裝置驅動程式框架簡介 我們在學習 C 語言的時候，知道每個應用程式的入口函式，即第一個被執行的函式是 main函式，那麼，我們自己的驅動程式，哪個函式是入口函式呢？ 在寫驅動程式的時候，如果函式的名字可以任意取，常常為 xxxx_init()，

字元裝置驅動之筆記-中斷上下部

  中斷下半部 在中斷處理函式執行的過程中: 1. 它可以被其他中斷打斷 2. 它不會再次響應同一個中斷(同一個中斷不會巢狀處理) 3. 如果中斷處理函式執行的時間很長，系統性能會受影響 舉例: net_irq() {  1. 從網絡卡晶片讀資料到記憶體裡 (比較快)  

深入淺出：Linux裝置驅動之字元裝置驅動

一、linux系統將裝置分為3類：字元裝置、塊裝置、網路裝置。使用驅動程式： 字元裝置：是指只能一個位元組一個位元組讀寫的裝置，不能隨機讀取裝置記憶體中的某一資料，讀取資料需要按照先後資料。字元裝置是面向流的裝置，常見的字元裝置有滑鼠、鍵盤、串列埠、