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分类: LINUX

2013-06-30 15:22:54

Linux设备驱动程序学习(3-补)

-Linux中的循环缓冲区


参考资料:《Linux内核中的循环缓冲区》作者:西邮 王聪    严重感谢文章作者! 但是(可能是源码版本问题)有些结论并不正确kfifo_init只会接受一个已分配好空间的fifo->buffer,不能和kfifo_free搭配,用kfifo_init分配的kfifo只能用kfree释放。” 阅读源码可以得出这样的结论:kfifo_init和kfifo_alloc分配的kfifo都能用kfree释放。已经用实验证实。
原文链接地址:

在学习到第十章 中断处理 时,其中的中断驱动的I/O需要使用缓冲区,我觉得与其自己实现一个缓冲区,不如利用内核已经写好的fifo。内核里有一个通用的循环缓冲区的实现在
使用的数据结构如下:

struct kfifo {
    unsigned char *buffer;    /* 使用的缓冲区头指针 */
    unsigned int size;    /* 缓冲区总大小 */
    unsigned int in;    /* 已写入缓冲区的数据总量,当前缓冲区写指针的偏移量:(in % size) */
    unsigned int out;    /* 已读出缓冲区的数据总量,当前缓冲区读指针的偏移量:(out % size) */
    spinlock_t *lock;    /* 为避免竞态的自旋锁 */
};/*当in==out时,缓冲区为空;当(in-out)==size时,缓冲区已满*/

kfifo提供的循环缓冲的部分函数分为2类:

(1)以双下划线开头,没有使用自旋锁函数;

(2)没有双下划线开头,需要额外加锁的情况下使用的函数。

其实第二类只是在第一类的基础上进行加锁后,实际的代码如下:

    unsigned long flags;
    spin_lock_irqsave(fifo->lock, flags);
    /*第一类函数*/
    spin_unlock_irqrestore(fifo->lock, flags);

以下我按使用的顺序介绍每个函数的使用,部分函数源码在kernel/kfifo.c中定义,这些接口是经过精心构造的,可以小心地避免一些边界情况,原理其实很简单,建议去看源码弄清楚实现的原理,可以学到一些编程技巧。

(0)声明循环缓冲数据结构指针

struct kfifo *tekkamanfifo;

(1)初始化循环缓冲结构体

struct kfifo *kfifo_init(unsigned char *buffer, unsigned int size,
                gfp_t gfp_mask, spinlock_t *lock);
/*调用kfifo_init必须保证size是2的整数次幂,而且buffer只接受一个已分配好空间的指针。也就是说之前要使用kmalloc分配好空间,将返回的指针传递到buffer*/
struct kfifo *kfifo_alloc(unsigned int size, gfp_t gfp_mask,
                 spinlock_t *lock);
/*调用kfifo_alloc不必保证size是2的幂,它内部会把size向上调整到2的整数次幂。空间分配的内部实现使用kmalloc。函数内部调用kfifo_init/

buffer:之前要使用kmalloc分配好的空间指针;

size:循环缓冲空间大小;

gfp_mask:和kmalloc使用的分配标志(flags)一样。(参阅Linux设备驱动程序学习(8)-分配内存

lock:是事先声明并初始化好的自旋锁结构体指针;

返回值 为初始化好的循环缓冲数据结构指针 。

(2) 向缓冲区里写入数据

unsigned int kfifo_put(struct kfifo *fifo,unsigned char *buffer, unsigned int len);
unsigned int __kfifo_put(struct kfifo *fifo,unsigned char *buffer, unsigned int len);

fifo:要写入数据的缓冲区结构体指针;

buffer:要写入的数据指针,指向内核空间。如需要用户空间数据,之前要用copy_from_user复制数据到内核空间;

len:要写入的数据大小;

返回值 为写入缓冲区的数据字节数。

(3)从缓冲区里读出数据

unsigned int kfifo_get(struct kfifo *fifo, unsigned char *buffer, unsigned int len);
unsigned int __kfifo_get(struct kfifo *fifo, unsigned char *buffer, unsigned int len);

参数定义和kfifo_put类似。

返回值 为从缓冲区读出的数据字节数。

(4)得到缓冲区已有的数据字节数

unsigned int kfifo_len(struct kfifo *fifo);
unsigned int __kfifo_len(struct kfifo *fifo);

fifo:要操作的缓冲区结构体指针;

函数返回缓冲区实际已有的数据字节数,内部实现十分简单,就是in - out;

返回值 为缓冲区已有的数据字节数。

(5)清空缓冲区

void __kfifo_reset(struct kfifo *fifo);
void kfifo_reset(struct kfifo *fifo);

内部实现十分简单,就是in = out = 0。

(6)使用结束,释放缓冲区。

void kfifo_free(struct kfifo *fifo);

所有的kfifo提供的循环缓冲的函数就是这些。在理解内部实现原理的基础上才能更好的使用它,所以再次建议阅读源码,因为源码很简单,但是很精巧。


ARM9开发板实验

实验模块源码:scull-kfifo

测试程序源码:scull-kfifo-test

实验现象:

[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cd /lib/modules/
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#insmod scull_kfifo.ko
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cat /proc/devices
Character devices:
  1 mem
  2 pty
  3 ttyp
  4 /dev/vc/0
  4 tty
  4 ttyS
  5 /dev/tty
  5 /dev/console
  5 /dev/ptmx
  7 vcs
 10 misc
 13 input
 14 sound
 81 video4linux
 89 i2c
 90 mtd
116 alsa
128 ptm
136 pts
153 spi
180 usb
189 usb_device
204 s3c2410_serial
252 scull_kfifo
253 usb_endpoint
254 rtc

Block devices:
  1 ramdisk
256 rfd
  7 loop
 31 mtdblock
 93 nftl
 96 inftl
179 mmc
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#mknod -m 666 /dev/scull_kfifo c 252 0
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#echo 1234567890 > /dev/scull_kfifo
"sh" did write 11 bytes
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#/tmp/scull_kfifo_test
scull_kfifo: the module can not lseek!
please input the command :1
scull_kfifo: ioctl SCULL_KFIFO_SIZE len=11
please input the command :2
scull_kfifo: SCULL_KFIFO_RESET code=0
please input the command :1
scull_kfifo: ioctl SCULL_KFIFO_SIZE len=0
please input the command :q
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#echo 123456789012345678901234567890 > /dev/scull_kfifo

"sh" did write 31 bytes
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#echo 123456789012345678901234567890 > /dev/scull_kfifo

"sh" did write 31 bytes
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#echo 1234567890 > /dev/scull_kfifo

 "sh" did write 2 bytes
"sh" did write 0 bytes
"sh" did write 0 bytes
"sh" did write 0 bytes
"sh" did write 0 bytes
"sh" did write 0 bytes
"sh" did write 0 bytes
"sh" did write 0 bytes
"sh" did write 0 bytes
printk: 204310 messages suppressed.
"sh" did write 0 bytes

1234567890
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#/tmp/scull_kfifo_test
scull_kfifo: the module can not lseek!
please input the command :1
scull_kfifo: ioctl SCULL_KFIFO_SIZE len=64
please input the command :q
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#cat /dev/scull_kfifo
printk: 1493677 messages suppressed.
"cat" did read 64 bytes
1234"cat" reading: going to sleep
56789012345678901234567890
123456789012345678901234567890
12
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#/tmp/scull_kfifo_test
scull_kfifo: the module can not lseek!
please input the command :2
scull_kfifo: SCULL_KFIFO_RESET code=0
please input the command :q
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#rmmod scull_kfifo
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#lsmod
Module Size Used by Not tainted
[Tekkaman2440@SBC2440V4]#

 

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