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2014年(16)

2013年(16)

分类: 嵌入式

2014-01-07 12:17:55

                        Linux设备驱动程序
                            --并发和竞态(信号量和原子操作

一、并发和竞态、信号量


    这部分内容
tekkamanninja在其博客Linux设备驱动程序学习(3)-并发和竞态中作了较为全面的描述,结合国嵌中的一个例子,进行了简单的实验,后结合韦东山老师第一期教程的最后一课进行了更新,增加了按键驱动信号量的操作并发:多个执行单元同时被执行。竞态:并发的执行单元对共享资源(硬件资源和软件上的全局变量等)的访问导致的竞争状态。
    竞态通常作为对资源的共享访问结果而产生。设计自己的驱动程序时,应该避免资源的共享。访问管理的常见技术称为“锁定”或者“互斥”--确保一次只有一个执行线程可操作共享资源。内核提供了锁定机制避免资源的共享,但并不是所有的锁定机制都可用,合适的机制是信号量
    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。--- 韦东山视频教程。
 

        SMP: Symmetric Multiprocessing(对称多处理)。

二、Linux信号量的实现

    要使用信号量,内核代码必须包括下面头文件
            #include         
    ① 信号量的定义,相关的类型:
            struct semaphore sem;
    ② 信号量必须在设备对系统其他部分可用前被初始化。
            static inline void sema_init(struct semaphore *sem, int val);    //直接创建信号量
        2.6.25及以后的linux内核版本废除了init_MUTEX函数,老版本内核扔可以使用。
            static inline void init_MUTEX(struct semaphore *sem);

        信号量用于互斥模式:
            定义一个互斥锁,并初始化为1
                #define DECLARE_MUTEX(name) __DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC(name,1)
            定义一个互斥锁,并初始化为0
                #define DECLARE_MUTEX_LOCKED(name) __DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC(name,0)
    ③ 信号量的获取,在Open方法中使用,
            static inline void down(struct semaphore * sem);
            static inline int down_interruptible (struct semaphore * sem); //建议使用
            static inline int down_trylock(struct semaphore *sem);
        2.6.25及以后的linux内核版本
            int down_killable(struct semaphore *sem)

    ④ 信号量的释放,在close方法中实现。该函数释放信号量sem,唤醒等待者。
        static inline void up(struct semaphore * sem);
下图截取自《Linux设备驱动开发详解》第二版
                  
    互斥锁,只允许只有一个持有者的信号量。

三、信号量使用示例


    信号量的一个例子,来自国嵌
semaphore.rar
    信号量的另一个例子,使用信号量实现设备只能被一个进程打开实验平台:mini2440,完整代码buttons_int_semaphore.rar
    
    ①.  static DECLARE_MUTEX(button_lock);     //第一步:定义信号量(互斥锁);
        ②.  down_interruptible(&button_lock);      //open方法中获取信号量;
        ③.  up(&button_lock);                      //close方法中释放信号量;
驱动程序buttons_int_semaphore_drv.c

点击(此处)折叠或打开

  1. #include <linux/module.h>
  2. #include <linux/kernel.h>
  3. #include <linux/fs.h>
  4. #include <linux/init.h>
  5. #include <linux/device.h>
  6. #include <linux/irq.h>
  7. #include <linux/interrupt.h>
  8. #include <linux/poll.h>
  9. #include <asm/arch/regs-gpio.h>
  10. #include <asm/hardware.h>
  11. #include <linux/uaccess.h>

  12. #define        DEVICE_NAME        "mini2440_buttons" //设备名称

  13. static struct class *buttons_int_semaphore_drv_class;
  14. static struct class_device *buttons_int_semaphore_drv_class_dev;

  15.   
  16.     
  17. static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(button_waitq);    //等待队列:当没有按键被按下时,如果有进程调用buttons_int_fasync_drv_read函数,它将休眠
  18. static volatile int ev_press = 0;                //中断事件标志, 中断服务程序将它置1,s3c24xx_buttons_read将它清0
  19. static unsigned char key_val;                    //保存键值

  20. //static DECLARE_MUTEX(button_lock); //第一步:定义信号量(互斥锁)
  21. struct semaphore button_lock;
  22. static struct fasync_struct *buttons_async;

  23. //引脚描述结构体
  24. struct pin_desc{
  25.     unsigned int pin;
  26.     unsigned int key_value;
  27. };
  28. //管脚数组,按键赋键值,按下时是0x01,松开是0x81(最高位为1)
  29. struct pin_desc pins_desc[6] = {
  30.         {S3C2410_GPG0, 0x01},
  31.         {S3C2410_GPG3, 0x02},
  32.         {S3C2410_GPG5, 0x03},
  33.         {S3C2410_GPG6, 0x04},
  34.         {S3C2410_GPG7, 0x05},
  35.         {S3C2410_GPG11,0x06},
  36. };

  37. //确定按键值
  38. static irqreturn_t buttons_irq(int irq, void *dev_id)
  39. {
  40.     //printk("irq = %d\n",irq);
  41.     struct pin_desc *pindesc = (struct pin_desc *)dev_id;
  42.     unsigned int pinval;
  43.     pinval = s3c2410_gpio_getpin(pindesc->pin);
  44.     if(pinval)
  45.     {
  46.         //松开
  47.         key_val = 0x80 | pindesc->key_value;
  48.     }
  49.     else
  50.     {
  51.         //按下
  52.         key_val = pindesc->key_value;
  53.     }    
  54.     ev_press = 1;     
  55.     wake_up_interruptible(&button_waitq);
  56.     //kill_fasync(struct fasync_struct * * fp, int sig, int band)
  57.     kill_fasync (&buttons_async, SIGIO, POLL_IN);
  58.     return IRQ_HANDLED;
  59. }

  60. static int buttons_int_semaphore_drv_open(struct inode *inode, struct file *file)
  61. {
  62.     int ret;
  63.     /*open方法中获取信号量,第一次执行可以获取信号量,第二个进程在第一个进程没有释放信号量是无法open*/
  64.     down_interruptible(&button_lock);
  65.     ret = request_irq(IRQ_EINT8, buttons_irq,IRQT_BOTHEDGE,"KEY1",&pins_desc[0]);    //pins_desc[0]传递给buttons_irq
  66.     ret = request_irq(IRQ_EINT11,buttons_irq,IRQT_BOTHEDGE,"KEY2",&pins_desc[1]);
  67.     ret = request_irq(IRQ_EINT13,buttons_irq,IRQT_BOTHEDGE,"KEY3",&pins_desc[2]);
  68.     ret = request_irq(IRQ_EINT14,buttons_irq,IRQT_BOTHEDGE,"KEY4",&pins_desc[3]);
  69.     ret = request_irq(IRQ_EINT15,buttons_irq,IRQT_BOTHEDGE,"KEY5",&pins_desc[4]);
  70.     ret = request_irq(IRQ_EINT19,buttons_irq,IRQT_BOTHEDGE,"KEY6",&pins_desc[5]);
  71.     return 0;
  72. }

  73. ssize_t buttons_int_semaphore_drv_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
  74. {        
  75.     int ret;
  76.     if(size != 1)            //读取单个按键
  77.         return -EINVAL;
  78.     
  79.     wait_event_interruptible(button_waitq, ev_press);    //如果没有按键动作,休眠,让出CPU
  80.     ret = copy_to_user(buf, &key_val, 1);                //返回键值
  81.     ev_press = 0;
  82.     return 1;        
  83. }

  84. int buttons_int_semaphore_drv_close(struct inode *inode, struct file *file)
  85. {
  86.     free_irq(IRQ_EINT8, &pins_desc[0]);
  87.     free_irq(IRQ_EINT11,&pins_desc[1]);
  88.     free_irq(IRQ_EINT13,&pins_desc[2]);
  89.     free_irq(IRQ_EINT14,&pins_desc[3]);
  90.     free_irq(IRQ_EINT15,&pins_desc[4]);
  91.     free_irq(IRQ_EINT19,&pins_desc[5]);
  92.     up(&button_lock);
  93.     return 0;
  94. }

  95. static unsigned buttons_int_semaphore_drv_poll(struct file *file, poll_table *wait)
  96. {
  97.     unsigned int mask = 0;
  98.     poll_wait(file, &button_waitq, wait);                 // 不会立即休眠

  99.     if (ev_press)
  100.         mask |= POLLIN | POLLRDNORM;

  101.     return mask;
  102. }

  103. static int buttons_int_semaphore_drv_fasync(int fd, struct file *filp, int on)
  104. {
  105.     printk("driver:buttons_int_fasync_drv_fasync\n");
  106.     return fasync_helper (fd, filp, on, &buttons_async);
  107. }

  108. static struct file_operations buttons_int_fasync_drv_fops = {
  109.     .owner = THIS_MODULE,
  110.     .open = buttons_int_semaphore_drv_open,
  111.     .read = buttons_int_semaphore_drv_read,
  112.     .release = buttons_int_semaphore_drv_close,
  113.     .poll = buttons_int_semaphore_drv_poll,
  114.     .fasync = buttons_int_semaphore_drv_fasync,
  115. };

  116. int major;
  117. static int __init buttons_int_semaphore_drv_init(void)
  118. {
  119.     major = register_chrdev(0, DEVICE_NAME, &buttons_int_fasync_drv_fops);
  120.     if(major < 0)
  121.     {
  122.         printk(DEVICE_NAME "\t can't register major number!\n");
  123.     }
  124.     buttons_int_semaphore_drv_class = class_create(THIS_MODULE, DEVICE_NAME);
  125.     buttons_int_semaphore_drv_class_dev = class_device_create(buttons_int_semaphore_drv_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, DEVICE_NAME); /* /dev/mini2440_buttons */
  126.     sema_init(&button_lock,1);
  127.     printk(DEVICE_NAME"\t initialized!\n");
  128.     return 0;
  129. }
  130. static void __exit buttons_int_semaphore_drv_exit(void)
  131. {
  132.     unregister_chrdev(major, DEVICE_NAME);
  133.     class_device_unregister(buttons_int_semaphore_drv_class_dev);
  134.     class_destroy(buttons_int_semaphore_drv_class);
  135. }

  136. module_init(buttons_int_semaphore_drv_init);
  137. module_exit(buttons_int_semaphore_drv_exit);
  138. MODULE_LICENSE("GPL");
测试程序buttons_int_semaphore_drv_test.c

点击(此处)折叠或打开

  1. #include <fcntl.h>
  2. #include <stdio.h>
  3. #include <poll.h>
  4. #include <signal.h>
  5. #include <sys/types.h>
  6. #include <unistd.h>

  7. int fd;            //全局变量

  8. void my_signal_fun(int signum)
  9. {
  10.     unsigned char key_val;
  11.     read(fd,&key_val,1);
  12.     printf("key_val:0x%x\n",key_val);
  13. }

  14. int main(int argc,char **argv)
  15. {
  16.     int ret;
  17.     int Oflags;

  18.     signal(SIGIO,my_signal_fun);

  19.     fd = open("/dev/mini2440_buttons", O_RDWR);
  20.     if(fd < 0)
  21.     {
  22.         printf("can't open\n");
  23.         return -1;            //无法打开
  24.     }
  25.     //fcntl(fd, F_SETOWN, getpid()); // 告诉内核,发给谁
  26.     //Oflags = fcntl(fd, F_GETFL);
  27.     //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
  28.     
  29.     while(1)
  30.     {
  31.         //sleep(1000);
  32.     }
  33.     return 0;
  34. }
测试结果:
        
        执行两个application时,两个进程一个是可执行的R状态,一个是休眠的S状态,当把第一个可执行的进程杀掉之后释放信号量,第二个进程获得信号量变为可执行的R状态。验证了上面的分析。

四、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。
    Linux 内核提供了一系列函数来实现内核中的原子操作,这些函数又分为两类,分别针对位和整型变量进行原子操作。
它们的共同点是在任何情况下操作都是原子的,内核代码可以安全地调用它们而不被打断。位和整型变量原子操作都依赖底层CPU 的原子操作来实现,
因此所有这些函数都与CPU架构密切相关。--- 《Linux设备驱动开发详解》。
    
 原子变量的一个示例atomic.rar

结果可以看出只有一个应用程序可以打开设备。                
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