Linux驅動開發-①pinctrl 和 gpio 子系統②并發和競爭③內核定時器
- 一,pinctrl 和 gpio 子系統
- 1.pinctrl子系統
- 2.GPIO子系統
- 二,并發和競爭
- 1.原子操作
- 2.自旋鎖
- 3.信號量
- 4.互斥體
- 三,按鍵實驗
- 四,內核定時器
- 1.關于定時器的有關概念
- 1.1 節拍HZ
- 1.2 jiffies
- 2.定時器實驗
- 五,相關問題
- 1.pin和gpio
- 2.depmod作用
- 3.得到gpio后,使用request申請的作用
一,pinctrl 和 gpio 子系統
1.pinctrl子系統
??在linux內核中用于管理和配置引腳復用(比如復用為GPIO,I2C,SPI,UART等)和引腳屬性(電氣屬性:上拉,下拉,驅動強度等)的框架,通過設備樹描述引腳配置。MX6UL_PAD_GPIO1_IO03__GPIO1_IO03宏定義格式 <mux_reg conf_reg input_reg mux_mode input_val>,mux_reg寄存器偏移地址,如果值為0x01,因為 iomux基地址為0x020e0000,因此MUX復用功能寄存器的地址為0x020e0001這樣,同理conf_reg 和input_reg 。mux_mode即mux復用寄存器設置的值。
&iomuxc {pinctrl-names = "default";pinctrl-0 = <&pinctrl_hog_1>;imx6ul-evk {pinctrl_hog_1: hoggrp-1 {fsl,pins = <MX6UL_PAD_UART1_RTS_B__GPIO1_IO19 0x17059 /* SD1 CD */MX6UL_PAD_GPIO1_IO05__USDHC1_VSELECT 0x17059 /* SD1 VSELECT */MX6UL_PAD_GPIO1_IO09__GPIO1_IO09 0x17059 /* SD1 RESET */>;};/*LED*/pinctrl_led: ledgrp{fsl,pins = <MX6UL_PAD_GPIO1_IO03__GPIO1_IO03 0X10B0 /*led設置復用為GOIO1_IO03,電氣屬性設置為0x10B0*/>;};}
2.GPIO子系統
??pinctrl將一個pin復用為GPIO的話,使用GPIO子系統控制,作用是不用操作寄存器就能配置和操作GPIO。首先在設備樹中添加這個led的節點,讓這個節點使用上面配置的屬性并且連接好對應的引腳。在設備樹的根目錄下設置gpled節點,并且用pinctrl-0 = <&pinctrl_led>;使得復用和電器屬性得到設置,led-gpio = <&gpio1 3 GPIO_ACTIVE_LOW>讓這個驅動和GPIO1_IO03進行關聯。
/ {gpioled{#adress-cells = <1>;#size-cells = <1>;compatible = "atkalpha-gpioled";princtrl-names = "default";pinctrl-0 = <&pinctrl_led>;led-gpio = <&gpio1 3 GPIO_ACTIVE_LOW>;status = "okay";};
};
驅動實現主要利用到設置的這些內容:
static ssize_t pgled_write(struct file *filp, const char __user *buf,size_t cnt,loff_t *offt)
{int ret;unsigned char databuf[1];unsigned char let_status;struct led_dev *pgled_dev = filp->private_data;ret = copy_from_user(databuf,buf,cnt);let_status = databuf[0];if(let_status == 0){gpio_set_value(pgled_dev->led_gpio,0);//開燈}else if(let_status == 1) {gpio_set_value(pgled_dev->led_gpio,1);//關燈}return 0;
}static int __init pgled_init(void)
{int ret =0;led.nd = of_find_node_by_path("/gpioled");//在設備樹中獲取節點led.led_gpio = of_get_named_gpio(led.nd,"beep-gpio", 0);//得到gpio引腳ret = gpio_direction_output(led.led_gpio,1);//設置GPIO1-03為輸出,并且設置為1,高點平關閉if(ret == 0){printk("從設備樹讀取節點和gpio正確\r\n");}/*注冊*//*1.設備號*/if(led.major){led.led_hao = MKDEV(led.major,0);register_chrdev_region(led.led_hao, 1, LED_NAME);//主動注冊}else{alloc_chrdev_region(&led.led_hao, 0, 1, LED_NAME);//自動注冊}printk("major = %d,minor = %d",MAJOR(led.led_hao),MINOR(led.led_hao));/*2.注冊函數*/led.cdev.owner = THIS_MODULE;cdev_init(&led.cdev,&pgled_fops);cdev_add(&led.cdev,led.led_hao,1);/*3.節點申請*/ led.class = class_create(THIS_MODULE,LED_NAME);led.device = device_create(led.class, NULL,led.led_hao, NULL,LED_NAME);/*4.具體實現*/ return 0;
}
二,并發和競爭
??并發:指多個任務(線程、進程或協程)在同一時間段內交替執行的現象。這些任務可能是同時運行的(在多核 CPU 上),也可能是通過時間片輪轉的方式交替運行的(在單核 CPU 上)。
競爭:指多個并發任務在訪問共享資源時,由于執行順序的不確定性,導致程序的最終結果依賴于任務的執行順序。如果未正確同步,可能會導致數據不一致或程序行為異常。下面四種操作就是為了避免訪問共享資源時候出現混亂。
1.原子操作
??執行這一步,不被其他線程或者內核影響,相當于我在執行這個操作時候,讓一個標準位置0,其他線程或者內核想執行這個操作,一看這個標志位為0,就執行不了,等到這個操作被我執行完后,把標志位置1,從而其他可以去執行。原子操作即不可分割的操作意思。
2.自旋鎖
??當一個線程或核心嘗試獲取鎖時,如果鎖已被其他線程或核心持有,則該線程或核心會一直“自旋”(即忙等待),直到鎖被釋放。由此可以看出,其他線程或核心在一直自旋,這個時候是浪費cpu的處理能力的,因此自旋鎖適合持鎖時間很短的操作。特點是①不進入休眠,即其它線程或核心要一直等待著,而不是先去執行其他操作,等這個鎖解了再通知回來。②中斷可以用,因為中斷不能休眠。
3.信號量
??信號量就相當于設置一個變量,初始值,我進行這個操作時,這個變量會設置為另一個值,其他線程或者內核看到這個變量不是初始值,不會在外面一直等待,而是去執行其他操作,等我執行完這個操作后,會將這個變量變回初始值,然后通知線程和內核來執行這個操作,適合鎖持有時間較長的情況。
4.互斥體
??互斥體是確保同一時間只有一個線程或進程可以訪問共享資源,從而避免競態條件,當一個線程或進程嘗試獲取互斥體時,如果互斥體已被其他線程或進程持有,則該線程或進程會進入睡眠狀態,直到互斥體被釋放,和信號量基本上一樣,但是互斥體是兩種情況即0 1,信號量是計數器,闊以大于1。
具體使用:
struct led_dev{struct class *class;struct device *device;struct device_node *nd;struct cdev cdev;dev_t led_hao;int major;//主設備號int minor;//次設備號int led_gpio;//led的gpioatomic_t lock_yuan;//原子操作spinlock_t lock_spin;//自旋操作int dev_status;//0可用 1不可用struct semaphore sem;//信號量struct mutex lock_huci;//互斥體};
struct led_dev led;
static int pgled_open(struct inode *innode,struct file *filp)
{/*信號量*/down(&led.sem);/*自旋鎖*/unsigned long flags;spin_lock_irqsave(&led.lock_spin,flags);//上鎖if(led.dev_status){spin_unlock_irqrestore(&led.lock_spin,flags);return -EBUSY;}led.dev_status++;//為0,則讓lock——spin為1標志設備已經被使用了spin_unlock_irqrestore(&led.lock_spin,flags);/*原子操作*/if(atomic_read(&led.lock_yuan)<=0)//被操作了{return -EBUSY;}else {atomic_dec(&led.lock_yuan);}/*互斥體*/if (mutex_lock_interruptible(&led.lock_huci)) {return -ERESTARTSYS;}filp->private_data = &led;//將led結構體數據設為私有數據return 0;
}
static int pgled_release(struct inode *innode,struct file *filp)
{ up(&led.sem);//信號量mutex_unlock(&led.lock_huci);//互斥體unsigned long flags;/*自旋鎖*/spin_lock_irqsave(&led.lock_spin,flags);//上鎖if(led.dev_status){led.dev_status--;}spin_unlock_irqrestore(&led.lock_spin,flags);atomic_inc(&led.lock_yuan);//原子操作return 0;
}static int __init pgled_init(void)
{atomic_set(&led.lock_yuan,1);//原子操作,鎖設置 當為1可以操作,否則不可以操作spin_lock_init(&led.lock_spin);//自旋sema_init(&led.sem,1);//信號量mutex_init(&led.lock_huci);//互斥體
}
三,按鍵實驗
驅動:
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/device.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h> // 包含 register_chrdev_region 的定義
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_irq.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/semaphore.h>#define KEY_NAME "key"
#define KEY_VALUE 0X01
#define KEY_NOVALUE 0X00struct key_dev{struct class *class;struct device *device;struct device_node *nd;struct cdev cdev;dev_t key_hao;int major;//主設備號int minor;//次設備號int key_gpio;//key的gpioatomic_t key_value;//原子操作// spinlock_t lock_spin;//自旋操作// int dev_status;//0可用 1不可用// struct semaphore sem;//信號量// struct mutex lock_huci;//互斥體};
struct key_dev key;static void keyio_init(void)
{int ret = 0;key.nd = of_find_node_by_path("/gpiokey");//在設備樹中獲取節點key.key_gpio = of_get_named_gpio(key.nd,"key-gpio", 0);//得到gpio引腳gpio_request(key.key_gpio,"key0");ret = gpio_direction_input(key.key_gpio);//設置為輸入if(ret == 0){printk("從設備樹讀取節點和gpio正確\r\n");}}
static int pgkey_open(struct inode *innode,struct file *filp)
{keyio_init();//初始化IOfilp->private_data = &key;//將key結構體數據設為私有數據return 0;
}
static int pgkey_release(struct inode *innode,struct file *filp)
{ // up(&key.sem);//mutex_unlock(&key.lock_huci);// unsigned long flags;// /*自旋鎖*/// spin_lock_irqsave(&key.lock_spin,flags);//上鎖// if(key.dev_status)// {// key.dev_status--;// }// spin_unlock_irqrestore(&key.lock_spin,flags);// atomic_inc(&key.lock_yuan);// printk("打開后 關閉:close_file lock_yuan = %d\r\n",key.lock_yuan);return 0;
}
static ssize_t pgkey_read(struct file *filp, char __user *buf,size_t cnt,loff_t *offt)
{unsigned char value = 0;struct key_dev *key1 = filp->private_data;if(gpio_get_value(key1->key_gpio)==0)//0按下,否則沒按下{while(gpio_get_value(key1->key_gpio)==0);//等待按鍵釋放,相當于判斷上升沿觸發atomic_set(&key1->key_value,KEY_VALUE);//原子操作 數據保護}else { //未按下atomic_set(&key1->key_value,KEY_NOVALUE);}value = atomic_read(&key1->key_value);__copy_to_user(buf,&value,sizeof(value));return 0;
}
./APP /dev/pgled 1&static struct file_operations pgkey_fops={.owner=THIS_MODULE,.read=pgkey_read,.open=pgkey_open,.release=pgkey_release,
};static int __init pgkey_init(void)
{atomic_set(&key.key_value,KEY_NOVALUE);//原子操作,鎖設置 值為0,說明未按下// spin_lock_init(&key.lock_spin);//自旋// sema_init(&key.sem,1);//信號量//mutex_init(&key.lock_huci);//互斥體/*注冊*//*1.設備號*/if(key.major){key.key_hao = MKDEV(key.major,0);register_chrdev_region(key.key_hao, 1, KEY_NAME);//主動注冊}else{alloc_chrdev_region(&key.key_hao, 0, 1, KEY_NAME);//自動注冊}printk("major = %d,minor = %d",MAJOR(key.key_hao),MINOR(key.key_hao));/*2.注冊函數*/key.cdev.owner = THIS_MODULE;cdev_init(&key.cdev,&pgkey_fops);cdev_add(&key.cdev,key.key_hao,1);/*3.節點申請*/ key.class = class_create(THIS_MODULE,KEY_NAME);key.device = device_create(key.class, NULL,key.key_hao, NULL,KEY_NAME);/*4.具體實現*/ return 0;
}
static void __exit pgkey_exit(void)
{gpio_free(key.key_gpio);//釋放gpiocdev_del(&key.cdev);//先刪除設備unregister_chrdev_region(key.key_hao,1);//刪除設備號device_destroy(key.class,key.key_hao);//先刪除和設備第關系class_destroy(key.class);//再刪除類}
./APP /dev/pgled 1&/*驅動入口和出口*/
module_init(pgkey_init);
module_exit(pgkey_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("wyt");
應用:
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>int main(unsigned char argc,unsigned char *argv[])
{int rel = 0,fd = 0;unsigned char *filename,read_buff[1];filename = argv[1];if(argc != 2){printf("WARNING!\r\n");return -1;}fd = open(filename,O_RDWR);if(fd<0) {printf("open file error\r\n");return -1;}while(1){read(fd,read_buff,1);if(read_buff[0]==1){printf(" 按下了! \r\n");}}return 0;}
四,內核定時器
1.關于定時器的有關概念
1.1 節拍HZ
??硬件定時器提供時鐘源,時鐘源的頻率可以設置,設置好以后就能周期性的產生中斷,系統時鐘定時中斷來計時,中斷的這個頻率就是系統頻率,稱為節拍,單位是HZ,比如100HZ,就是一秒有100個中斷產生。
1.2 jiffies
??linux內核中使用全局變量jiffies來記錄系統從啟動以來的節拍數,系統啟動的時候會將其初始化為0,然后系統運行,就開始計數。有32位的和64位的,內核中設置時間,比如想設置定時兩秒,那么目標時間=jiffies(此時的節拍數)+(2*節拍數HZ),當現在的節拍數jiffies大于目標時間,就認為到達設定時間兩秒。
2.定時器實驗
??能夠用定時器控制led燈的閃爍頻率,并且能夠開關定時器,修改定時器周期。static void led_timer_function(unsigned long arg)定時器調回函數中,unsigned long arg是通用的參數傳遞機制,傳遞的是用戶定義的數據,將結構體指針&led強制轉化為unsigned long ,放到led.timer.data中,在放到arg中,意思就是arg傳遞的是led結構體的數據。
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/device.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_irq.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/jiffies.h>
#include <linux/ioctl.h>#define TIMER_NAME "led_timer"#define CLOSE_TIMER_CMD _IO(0xef, 1) //1設置為關閉
#define OPEN_TIMER_CMD _IO(0xef, 2) //2設置為開
#define PERIOD_TIMER_CMD _IOW(0xef, 3,int) //3設置修改周期struct led_dev{struct class *class;struct device *device;struct device_node *nd;struct cdev cdev;dev_t led_hao;int major;//主設備號int minor;//次設備號int led_gpio;//led的gpioint timer_period;//定時器周期 利用原子操作保護atomic_t lock_yuan;//原子操作struct timer_list timer;//定義定時器};
struct led_dev led;
static int pgled_open(struct inode *innode,struct file *filp)
{filp->private_data = &led;//將led結構體數據設為私有數據return 0;
}
static int pgled_release(struct inode *innode,struct file *filp)
{return 0;
}
static long timer_ioctl(struct file *filp, unsigned int cmd , unsigned long arg)
{int ret = 0;struct led_dev *led_ioctl = (struct led_dev*)filp->private_data;int period =led_ioctl->timer_period;switch (cmd){case CLOSE_TIMER_CMD://關閉定時器del_timer_sync(&led_ioctl->timer);break;case OPEN_TIMER_CMD://打開定時器mod_timer(&led_ioctl->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(led_ioctl->timer_period));break; case PERIOD_TIMER_CMD://從新配置定時器時間ret = __copy_from_user(&period, (int *)arg, sizeof(int));//這個arg是輸入第周期值。printk("111period =%d, led_ioctl->timer_period =%d,led.timer_period=%d\r\n",period,led_ioctl->timer_period,led.timer_period);led_ioctl->timer_period = period;mod_timer(&led_ioctl->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(led_ioctl->timer_period));printk("222period =%d, led_ioctl->timer_period =%d,led.timer_period=%d\r\n",period,led_ioctl->timer_period,led.timer_period);break; default:break;}return 0;
}
static struct file_operations pgled_fops={.owner=THIS_MODULE,.unlocked_ioctl= timer_ioctl,.open=pgled_open,.release=pgled_release,};
static void led_timer_function(unsigned long arg)//定時結束后會執行第操作,
{struct led_dev *led_timer = (struct led_dev*)arg;//這個arg和上面的不一樣,上面是中端輸入數據的首地址,這個數據//是整形變量周期值,不是輸入的第一個數據,而這個是結構體變量led首地址static int status = 1;status = !status;gpio_set_value(led_timer->led_gpio,status);mod_timer(&led_timer->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(led_timer->timer_period));//讓定時器再從新加載}
static int __init pgled_init(void)
{int ret =0;led.nd = of_find_node_by_path("/gpioled");//在設備樹中獲取節點led.led_gpio = of_get_named_gpio(led.nd,"led-gpio", 0);//得到gpio引腳ret = gpio_direction_output(led.led_gpio,1);//設置GPIO1-03為輸出,并且設置為1,高點平關閉if(ret == 0){printk("從設備樹讀取節點和gpio正確\r\n");}/*注冊*//*1.設備號*/if(led.major){led.led_hao = MKDEV(led.major,0);register_chrdev_region(led.led_hao, 1, TIMER_NAME);//主動注冊}else{alloc_chrdev_region(&led.led_hao, 0, 1, TIMER_NAME);//自動注冊}printk("major = %d,minor = %d",MAJOR(led.led_hao),MINOR(led.led_hao));/*2.注冊函數*/led.cdev.owner = THIS_MODULE;cdev_init(&led.cdev,&pgled_fops);cdev_add(&led.cdev,led.led_hao,1);/*3.節點申請*/ led.class = class_create(THIS_MODULE,TIMER_NAME);led.device = device_create(led.class, NULL,led.led_hao, NULL,TIMER_NAME);/*初始化定時器*/led.timer_period=1000;init_timer(&led.timer);//初始化定時器led.timer.function = led_timer_function;led.timer.expires = jiffies + msecs_to_jiffies(led.timer_period);led.timer.data = (unsigned long)&led;add_timer(&led.timer);//添加定時器return 0;
}static void __exit pgled_exit(void)
{gpio_set_value(led.led_gpio,1);del_timer(&led.timer);gpio_free(led.led_gpio);cdev_del(&led.cdev);//先刪除設備unregister_chrdev_region(led.led_hao,1);//刪除設備號device_destroy(led.class,led.led_hao);//先刪除和設備第關系class_destroy(led.class);//再刪除類}/*驅動入口和出口*/
module_init(pgled_init);
module_exit(pgled_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("wyt");
應用:
#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>#define CLOSE_TIMER_CMD _IO(0xef, 1) //1設置為關閉
#define OPEN_TIMER_CMD _IO(0xef, 2) //2設置為開
#define PERIOD_TIMER_CMD _IOW(0xef, 3,int) //3設置修改周期int main(unsigned char argc,unsigned char *argv[])
{int rel = 0,fd = 0,arg = 0;int cmd = 0;unsigned char *filename,str[6];filename = argv[1];fd = open(filename,O_RDWR);if(fd<0) printf("open file error\r\n");while(1){printf("INPUT CMD:\r\n");rel = scanf("%d",&cmd);if(rel!=1){gets(str);}switch(cmd){case 1:ioctl(fd,CLOSE_TIMER_CMD,&arg);break;case 2:ioctl(fd,OPEN_TIMER_CMD,&arg);break;case 3:printf("input period:");rel = scanf("%d",&arg);printf("arg1 = %d",arg);if(rel!=1){gets(str);}ioctl(fd,PERIOD_TIMER_CMD,&arg);break;case 4:return 0;default:break; }}rel = close(fd);if(rel<0) printf("close in APP error\r\n");return 0;}
五,相關問題
1.pin和gpio
??PIN 是芯片或電路板上的物理引腳,用于連接芯片與外部電路。GPIO 是一種通用的引腳功能,允許引腳通過軟件配置為輸入或輸出模式。在輸入模式下,GPIO 可以讀取外部信號;在輸出模式下,GPIO 可以驅動外部設備。pin是個大類,gpio是其中的一部分,比如pin可以設置為多種功能(如 GPIO、UART、I2C、SPI 等)。
2.depmod作用
??depmod: Linux 系統中用于生成模塊依賴關系文件的工具。會掃描 /lib/modules/<內核版本>/ 目錄下的所有內核模塊,分析它們之間的依賴關系,依賴關系包括模塊之間的符號引用(如函數、變量等)。
3.得到gpio后,使用request申請的作用
??request函數用于申請 GPIO 引腳的使用權,它的主要作用是確保 GPIO 引腳不會被多個驅動程序或模塊同時使用,從而避免資源沖突,具體就是標記 GPIO 引腳為“已使用”狀態,防止其他驅動程序或模塊重復使用該引腳。