韋東山嵌入式Liunx入門驅動開發五

文章目錄

- - 一、驅動程序基石
  - - 1-1 休眠與喚醒
    - 1-2 POLL機制
    - 1-3 異步通知
    - - (1) 異步通知程序解析
      - (2) 異步通知機制內核代碼詳解
    - 1-4 阻塞與非阻塞
    - 1-5 定時器
    - - (1) 內核函數
      - (2) 定時器時間單位
    - 1-6 中斷下半部 tasklet

本人學習完韋老師的視頻，因此來復習鞏固，寫以筆記記之。
韋老師的課比較難，第一遍不知道在說什么，但是堅持看完一遍，再來復習，基本上就水到渠成了。
看完視頻復習的同學觀看最佳！
基于 IMX6ULL-PRO
參考視頻 Linux快速入門到精通視頻
參考資料：01_嵌入式Linux應用開發完全手冊V5.1_IMX6ULL_Pro開發板.pdf

一、驅動程序基石

1-1 休眠與喚醒

當應用程序必須等待某個事件發生，比如必須等待按鍵被按下時，可以使用休眠-喚醒機制
① APP調用read等函數試圖讀取數據，比如讀取按鍵；
② APP進入內核態，也就是調用驅動中的對應函數，發現有數據則復制到用戶空間并馬上返回；
③ 如果APP在內核態，也就是在驅動程序中發現沒有數據，則APP休眠；
④ 當有數據時，比如當按下按鍵時，驅動程序的中斷服務程序被調用，它會記錄數據、喚醒APP
⑤ APP繼續運行它的內核態代碼，也就是驅動程序中的函數，復制數據到用戶空間并馬上返回。
在這里插入圖片描述
驅動框架

休眠，直到condition 為真；休眠期間是可被打斷的，可以被信號打斷

wait_event_interruptible(wq, condition)

喚醒wq隊列中狀態為“ TASK_INTERRUPTIBLE ”的線程，只喚醒其中的一個線程

wake_up_interruptible(wq)

要休眠的線程，放在wq 隊列里，中斷處理函數從wq隊列里把它取出來喚
醒。
① 初始化wq隊列
② 在驅動的read函數中，調用 wait_event_interruptible。它本身會判斷
event是否為 FALSE ，如果為FASLE表示無數據，則休眠。
當從wait_event_interruptible 返回后，把數據復制回用戶空間。
③ 在中斷服務程序里：設置event 為TRUE，并調用wake_up_interruptible 喚醒線程。

1-2 POLL機制

使用休眠喚醒的方式等待某個事件發生時，有一個缺點：等待的時間可能
很久。我們可以加上一個超時時間，這時就可以使用poll機制。
① APP不知道驅動程序中是否有數據，可以先調用 poll函數查詢一下， poll函數可以傳入超時時間
② APP進入內核態，調用驅動程序的poll函數，有數據的話立刻返回；
③ 如果發現沒有數據時就休眠一段時間
④ 當有數據時，比如當按下按鍵時，驅動程序的中斷服務程序被調用，它會記錄數據、喚醒APP
⑤ 當超時時間到了之后，內核也會喚醒APP
⑥ APP根據poll函數的返回值就可以知道是否有數據，如果有數據就調用
read得到數據。

在這里插入圖片描述
drv_poll函數需要做的事
① 把當前線程掛入隊列wq：poll_wait
②返回設備狀態：drv_poll 要返回自己的當前狀態：P OLLIN | POLLRDNORM) 或 POLLOUT | POLLWRNORM) 。

static unsigned int gpio_key_drv_poll(struct file *fp, poll_table * wait)
{printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);poll_wait(fp, &gpio_key_wait, wait);return is_key_buf_empty() ? 0 : POLLIN | POLLRDNORM;}

button_test.c

int main(int argc, char **argv)
{int fd;int val;struct pollfd fds[1];int timeout_ms = 5000;int ret;/* 1. 判斷參數 */if (argc != 2) {printf("Usage: %s <dev>\n", argv[0]);return -1;}/* 2. 打開文件 */fd = open(argv[1], O_RDWR);if (fd == -1){printf("can not open file %s\n", argv[1]);return -1;}fds[0].fd = fd;fds[0].events = POLLIN;while (1){/* 3. 讀文件 */ret = poll(fds, 1, timeout_ms);if((ret == 1) && (fds[0].revents & POLLIN)){read(fd, &val, 4);printf("get button : 0x%x\n", val);}else{printf("timeout\n");}}close(fd);return 0;
}

1-3 異步通知

(1) 異步通知程序解析

異步通知流程如下：
在這里插入圖片描述

① APP給SIGIO這個信號注冊信號處理函數func，以后APP收到SIGIO信號時，這個函數會被自動調用。
② 把APP的PID(進程 ID)告訴驅動程序，這個調用不涉及驅動程序，在內核的文件系統層次記錄PID。

filp->f_owner.pid = get_pid(pid);

③ 讀取驅動程序文件Flag
④ 設置Flag里面的FASYNC位為1；當 FASYNC位發生變化時，會導致驅動程序的fasync被調用
⑤ 調用faync_helper ，它會根據 FAYSNC的值決定是否設置
button_async -->fa_file=filp(內含PID)；open文件時，會在內核文件系統中有一個struct file *filp結構體，filp->f_owner.pid里面含有之前設置的PID 。
⑥ APP做其他事；當按下按鍵，發生中斷，驅動程序的中斷服務程序被調用，里面調用kill_fasync 發信號
⑦ APP收到信號后，它的信號處理函數被自動調用，可以在里面調用
read函數讀取按鍵。

驅動程序中提供對應的drv_fasync函數，并在FAYNC變化時，調用fasync_helper函數，使得button_fasync->fa_file = filp或者NULL

struct fasync_struct *button_fasync;
static int gpio_key_drv_fasync(int fd, struct file *file, int on)
{if (fasync_helper(fd, file, on, &button_fasync) >= 0)return 0;elsereturn -EIO;
}

在GPIO中斷服務程序中，若button_fasync->fa_file非空，則獲得PID，并發信號給上層應用

kill_fasync(&button_fasync, SIGIO, POLL_IN);

上層應用程序
在這里插入圖片描述

(2) 異步通知機制內核代碼詳解

上層應用執行fcntl函數，內核會調用fs/fcntl.c 的如下函數。
在這里插入圖片描述
進入do_fcntl函數，flag標志對應函數的cmd

以下分別對三種flag進行代碼演示
① 當flag是F_SETOWN時，內核do_fcntl中調用f_setown函數，最終將pid給filp

fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());

在這里插入圖片描述

② 當flag是F_GETFL時,獲取文件的狀態標志

flags = fcntl(fd, F_GETFL);

在這里插入圖片描述
③ 當flag是F_SETFL時，設置文件支持異步通知功能

fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC);

在這里插入圖片描述

啟動了FASYNC 功能的話，驅動程序的 button_fasync 就被設置了，它指向的 fasync_struct 結構體里含有 filp里含有PID

static int gpio_key_drv_fasync(int fd, struct file *file, int on)
{if (fasync_helper(fd, file, on, &button_fasync) >= 0)return 0;elsereturn -EIO;
}

在這里插入圖片描述
從button_fasync 指針中，取出 fasync_struct 結構體，從這個結構體的 fa_file 中得到接收方的PID ，然后使用 send_sigio函數發送信號。根據 PID找到進程在內核的 task_struct結構體，修改里面的某些成員表示收到了信號。

kill_fasync(&button_fasync, SIGIO, POLL_IN);

在這里插入圖片描述

1-4 阻塞與非阻塞

所謂阻塞，就是等待某件事情發生。比如調用read讀取按鍵時，如果沒有按鍵數據則read函數不會返回，它會讓線程休眠等待。
使用poll時，傳入超時時間不為0(阻塞)；設置超時時間為0，沒有數據立即返回(非阻塞)
如何設置阻塞與非阻塞呢？
① open時

int fd = open(“/dev/xxx”, O_RDWR | O_NONBLOCK); 	/* 非阻塞方式*/
int fd = open(“/dev/xxx”, O_RDWR ); 	/* 阻塞方式*/

② open后

int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK); 	/* 非阻塞方式*/
fcntl(fd, F_SETFL, flags & ~O_NONBLOCK); 	/* 阻塞方式*/

驅動程序中，當APP打開某個驅動時，在內核中會有一個struct file 結構體的f _flags對應打開文件時的標記位；可以設置f _flasgs 的O_NONBLOCK 位，表示非阻塞；也可以清除這個位表示阻塞。

/* 實現對應的open/read/write等函數，填入file_operations結構體*/                
static ssize_t gpio_key_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{//printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);int err;int key;if(is_key_buf_empty() && (file->f_flags & O_NONBLOCK))return -EAGAIN;else{wait_event_interruptible(gpio_key_wait, !is_key_buf_empty());key = get_key();err = copy_to_user(buf, &key, 4);return 4;}
}

1-5 定時器

(1) 內核函數

所謂定時器，就是鬧鐘，時間到后你就要做某些事。有2個要素：時間、做事；換成程序員的話就是：超時時間、函數。
內核源碼：include\linux\timer.h

1、設置定時器，主要是初始化timer_list結構體，設置其中的函數、參數。

setup_timer(timer, fn, data);

2、向內核添加定時器。 timer–>expires 表示超時時間。
當超時時間到達，內核就會調用這個函數：timer->function(timer -->data) 。

void add_timer(struct timer_list *timer)

在這里插入圖片描述
3、修改定時器的超時時間

int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires):

4、刪除定時器

int del_timer(struct timer_list *timer)

(2) 定時器時間單位

這表示內核每秒中會發生100次系統滴答中斷 (tick)，這是Linux系統的心跳。每發生一次tick中斷，全局變量jiffies累加1。即：每個滴答是10ms。

CONFIG_HZ=100

按鍵觸發中斷，進入中斷處理函數，若不斷發生機械振動，會不斷進入中斷處理函數更新定時器超時時間，時間到后進入定時器處理函數，打印GPIO端口信息
probe函數設置定時器

static int gpio_key_probe(struct platform_device *pdev)
{/* 設置定時器*/setup_timer(&gpio_keys_100ask[i].key_timer, key_timer_expire, &gpio_keys_100ask[i]);/*設置超時時間*/gpio_keys_100ask[i].key_timer.expires = ~0;add_timer(&gpio_keys_100ask[i].key_timer);
}

中斷處理函數修改定時器超時時間

static irqreturn_t gpio_key_isr(int irq, void *dev_id)
{struct gpio_key *gpio_key = dev_id;printk("gpio_key_isr %d irq happened\n", gpio_key->gpio);mod_timer(&gpio_key->key_timer, jiffies + HZ/50); //20ms  HZ = 1sreturn IRQ_HANDLED;
}

定時器處理函數中打印GPIO信息和喚醒線程

struct timer_list key_timer;
/*定時器處理函數*/
static void key_timer_expire(unsigned long data)
{/*data ==> gpio*/struct gpio_key *gpio_key = data;int val;int key;val = gpiod_get_value(gpio_key->gpiod);printk("key_timer_expire %d %d\n", gpio_key->gpio, val);key = (gpio_key->gpio << 8) | val;put_key(key);wake_up_interruptible(&gpio_key_wait); 			/*喚醒線程*/kill_fasync(&button_fasync, SIGIO, POLL_IN);	/*發信號*/}

1-6 中斷下半部 tasklet

在上半部處理緊急的事情時，在處理過程中，中斷是被禁止的；在下半部處理耗時的事情時，在處理過程中，中斷是使能的。
內核源碼：include\linux\interrupt.h

struct tasklet_struct
{struct tasklet_struct *next;unsigned long state;atomic_t count;void (*func)(unsigned long);unsigned long data;
};

state用于表示 tasklet 的狀態，一共有2位。
bit0 表示 TASKLET_STATE_SCHED
等于1時，表示已經執行了 tasklet_schedule把tasklet放入隊列；
bit1 表示 TASKLET_STATE_RUN
等于1時，表示正在運行 tasklet 中的func函數；函數執行完后內核會把該位清0。