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Linux设备驱动程序——高级字符驱动程序操作(异步通知)

分类： 嵌入式

2014-01-08 22:31:15

                                   Linux设备驱动程序
                                  ——高级字符驱动程序操作(异步通知)

一、异步通知的概念和作用

    尽管大多数时候阻塞型和非阻塞型操作的组合以及select方法可以有效地查询设备，但某些时候用这种技术处理效率就不高了。我们可以让应用程序周期性地调用poll来检查数据，但是对许多情况来讲还有更好的办法。通过使用异步通知，应用程序可以在数据可用时收到一个信号，而不需要不停地使用轮训来关注数据。---《Linux设备驱动程序》。

    阻塞与非阻塞访问、poll()函数提供了较好地解决设备访问的机制，但是如果有了异步通知整套机制就更加完整了。异步通知的意思是：一旦设备就绪，则主动通知应用程序，这样应用程序根本就不需要查询设备状态，这一点非常类似于硬件上“中断”的概念，比较准确的称谓是“信号驱动的异步I/O”。信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟，在原理上，一个进程收到一个信号与处理器收到一个中断请求可以说是一样的。信号是异步的，一个进程不必通过任何操作来等待信号的到达，事实上，进程也不知道信号到底什么时候到达。阻塞I/O 意味着一直等待设备可访问后再访问，非阻塞I/O 中使用poll()意味着查询设备是否可访问，而异步通知则意味着设备通知自身可访问，实现了异步I/O。--- 宋宝华《Linux设备驱动程序开发详解》。

二、异步通知的实现方法
    
2.1 从应用程序application的角度考虑
   
    为了启用文件的异步通知机制，用户程序必须执行两个步骤：首先，它们指定一个进程作为文件的“属主(owner)”，当进程使用fcntl系统调用执行F_SETOWN命令时，属主进程的进程ID号就被保存在filp->f_owner中。
    int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );
    F_SETOWN (long)：Set the process ID or process group ID that will receive  SIGIO  and  SIGURG signals  for events on file descriptor fd to the ID given in arg.  A process ID is specified as a positive value; a process group ID is specified as a negative  value.  Most commonly, the calling process specifies itself as the owner (that is, arg is specified as getpid(2)).
    示例：
        fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());  // 告诉驱动，发信号谁（哪个进程）
   
    其次，为了真正启用异步通知机制，用户程序还必须在设备中设置FASYNC标志，这通过fcntl的F_SETFL命令完成。
    F_SETFL (long):Set the file status flags to the value specified by arg.  File  access  mode (O_RDONLY, O_WRONLY, O_RDWR) and file reation flags (i.e., O_CREAT, O_EXCL,O_NOCTTY, O_TRUNC) in arg are ignored.  On Linux  this  command  can  change only the O_APPEND, O_ASYNC, O_DIRECT, O_NOATIME, and O_NONBLOCK flags.
    示例：
        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
    
2.2 从驱动程序的角度考虑
    
    驱动程序实现异步信号的方法：
    ①. F_SETOWN被调用时对filp->f_owner赋值。
    ②. 在执行F_SETFL启用FASYNC时，调用驱动程序的fasync方法。只要filp->f_flags中的FASYNC标志发生了变化，就会调用该方法，以便把这个变化通知驱动程序，以使其能正确相应。文件打开时，FASYNC标志被默认是清除的。
    ③. 当数据到达时，所有注册为异步通知的进程都会被发送一个SIGIO信号，该信号由驱动程序发出。
    设备驱动中异步通知编程比较简单，主要用到一项数据结构和两个函数。数据结构是fasync_struct 结构体，两个函数分别是：
    a. 当一个打开的文件的FASYNC标志被修改时，调用下面函数处理FASYNC 标志变更。
        int fasync_helper(int fd, struct file * filp, int on, struct fasync_struct **fapp);
    b. 当数据到达时，用下面的语句来通知异步读取进程，(发送信号给进程)。
        void kill_fasync(struct fasync_struct **fp, int sig, int band);

三、一个示例
    该示例来自韦东山老师的视频教程第一期，下载地址，其针对JZ2440进行了讲解，我将其修改到了我的mini2440上，修改后的完整程序fasync.rar
    视频中总结了如下几点：
    驱动目的：按下按键时，驱动通知应用程序（异步通知），应用程序不会主动去读取键值，有按键按下了，驱动程序发送信号给应用程序(kill_fasync)。实现遵循如下几点，具体可见程序的实现：
    ① 应用程序，注册信号处理函数
            signal(SIGIO,my_signal_fun);
    ② 谁发信号？？驱动发送        
    ③ 发给谁？？应用程序，要告诉驱动其PID号
            fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());
    ④ 怎么发？？？？
            kill_fasync (&buttons_async, SIGIO, POLL_IN);

驱动测试应用程序buttons_int_fasync_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>

  8. int fd;            //全局变量

  10. void my_signal_fun(int signum)
  11. {
  12.     unsigned char key_val;
  13.     read(fd,&key_val,1);
  14.     printf("key_val:0x%x\n",key_val);
  15. }

  17. int main(int argc,char **argv)
  18. {
  19.     int ret;
  20.     int Oflags;

  22.     signal(SIGIO,my_signal_fun);

  24.     fd = open("/dev/mini2440_buttons", O_RDWR);
  25.     if(fd < 0)
  26.         printf("can't open\n");
  27.     //fcntl
  28.     fcntl(fd, F_SETOWN, getpid()); // 告诉内核，发给谁
  29.     Oflags = fcntl(fd, F_GETFL);
  30.     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
  31.     
  32.     while(1)
  33.     {
  34.         sleep(1000);
  35.     }
  36.     return 0;
  37. }
驱动程序buttons_int_fasync_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>

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

  15. static struct class *buttons_int_fasync_drv_class;
  16. static struct class_device *buttons_int_fasync_drv_class_dev;


  19.     
  20. 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
  21. 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
  22. static unsigned char key_val;                    //保存键值

  24. static struct fasync_struct *buttons_async;

  26. //引脚描述结构体
  27. struct pin_desc{
  28.     unsigned int pin;
  29.     unsigned int key_value;
  30. };
  31. //管脚数组，按键赋键值，按下时是0x01,松开是0x81(最高位为1)
  32. struct pin_desc pins_desc[6] = {
  33.         {S3C2410_GPG0, 0x01},
  34.         {S3C2410_GPG3, 0x02},
  35.         {S3C2410_GPG5, 0x03},
  36.         {S3C2410_GPG6, 0x04},
  37.         {S3C2410_GPG7, 0x05},
  38.         {S3C2410_GPG11,0x06},
  39. };

  41. //确定按键值
  42. static irqreturn_t buttons_irq(int irq, void *dev_id)
  43. {
  44.     //printk("irq = %d\n",irq);
  45.     struct pin_desc *pindesc = (struct pin_desc *)dev_id;
  46.     unsigned int pinval;
  47.     pinval = s3c2410_gpio_getpin(pindesc->pin);
  48.     if(pinval)
  49.     {
  50.         //松开
  51.         key_val = 0x80 | pindesc->key_value;
  52.     }
  53.     else
  54.     {
  55.         //按下
  56.         key_val = pindesc->key_value;
  57.     }    
  58.     ev_press = 1;     
  59.     wake_up_interruptible(&button_waitq);
  60.     //kill_fasync(struct fasync_struct * * fp, int sig, int band)
  61.     kill_fasync (&buttons_async, SIGIO, POLL_IN);
  62.     return IRQ_HANDLED;
  63. }

  65. static int buttons_int_fasync_drv_open(struct inode *inode, struct file *file)
  66. {
  67.     int ret;
  68.     ret = request_irq(IRQ_EINT8, buttons_irq,IRQT_BOTHEDGE,"KEY1",&pins_desc[0]);    //pins_desc[0]传递给buttons_irq
  69.     ret = request_irq(IRQ_EINT11,buttons_irq,IRQT_BOTHEDGE,"KEY2",&pins_desc[1]);
  70.     ret = request_irq(IRQ_EINT13,buttons_irq,IRQT_BOTHEDGE,"KEY3",&pins_desc[2]);
  71.     ret = request_irq(IRQ_EINT14,buttons_irq,IRQT_BOTHEDGE,"KEY4",&pins_desc[3]);
  72.     ret = request_irq(IRQ_EINT15,buttons_irq,IRQT_BOTHEDGE,"KEY5",&pins_desc[4]);
  73.     ret = request_irq(IRQ_EINT19,buttons_irq,IRQT_BOTHEDGE,"KEY6",&pins_desc[5]);
  74.     return 0;
  75. }

  77. ssize_t buttons_int_fasync_drv_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
  78. {        
  79.     int ret;
  80.     if(size != 1)            //读取单个按键
  81.         return -EINVAL;
  82.     
  83.     wait_event_interruptible(button_waitq, ev_press);    //如果没有按键动作，休眠，让出CPU
  84.     ret = copy_to_user(buf, &key_val, 1);                //返回键值
  85.     ev_press = 0;
  86.     return 1;        
  87. }

  89. int buttons_int_fasync_drv_close(struct inode *inode, struct file *file)
  90. {
  91.     free_irq(IRQ_EINT8, &pins_desc[0]);
  92.     free_irq(IRQ_EINT11,&pins_desc[1]);
  93.     free_irq(IRQ_EINT13,&pins_desc[2]);
  94.     free_irq(IRQ_EINT14,&pins_desc[3]);
  95.     free_irq(IRQ_EINT15,&pins_desc[4]);
  96.     free_irq(IRQ_EINT19,&pins_desc[5]);
  97.     
  98.     return 0;
  99. }

  101. static unsigned buttons_int_fasync_drv_poll(struct file *file, poll_table *wait)
  102. {
  103.     unsigned int mask = 0;
  104.     poll_wait(file, &button_waitq, wait);                 // 不会立即休眠

  106.     if (ev_press)
  107.         mask |= POLLIN | POLLRDNORM;

  109.     return mask;
  110. }

  112. static int buttons_int_fasync_drv_fasync(int fd, struct file *filp, int on)
  113. {
  114.     printk("driver:buttons_int_fasync_drv_fasync\n");
  115.     return fasync_helper (fd, filp, on, &buttons_async);
  116. }

  118. static struct file_operations buttons_int_fasync_drv_fops = {
  119.     .owner = THIS_MODULE,
  120.     .open = buttons_int_fasync_drv_open,
  121.     .read = buttons_int_fasync_drv_read,
  122.     .release = buttons_int_fasync_drv_close,
  123.     .poll = buttons_int_fasync_drv_poll,
  124.     .fasync = buttons_int_fasync_drv_fasync,
  125. };

  127. int major;
  128. static int __init buttons_int_fasync_drv_init(void)
  129. {
  130.     major = register_chrdev(0, DEVICE_NAME, &buttons_int_fasync_drv_fops);
  131.     if(major < 0)
  132.     {
  133.         printk(DEVICE_NAME "\t can't register major number!\n");
  134.     }
  135.     buttons_int_fasync_drv_class = class_create(THIS_MODULE, DEVICE_NAME);
  136.     buttons_int_fasync_drv_class_dev = class_device_create(buttons_int_fasync_drv_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, DEVICE_NAME); /* /dev/mini2440_buttons */

  138.     printk(DEVICE_NAME"\t initialized!\n");
  139.     return 0;
  140. }
  141. static void __exit buttons_int_fasync_drv_exit(void)
  142. {
  143.     unregister_chrdev(major, DEVICE_NAME);
  144.     class_device_unregister(buttons_int_fasync_drv_class_dev);
  145.     class_destroy(buttons_int_fasync_drv_class);
  146. }

  148. module_init(buttons_int_fasync_drv_init);
  149. module_exit(buttons_int_fasync_drv_exit);
  150. MODULE_LICENSE("GPL");
测试结果：
    
    程序中表现出了和poll实现的不同，没有查询，这就是异步的作用，由驱动程序来通知应用程序数据已经就绪，测试未加入按键抖动的处理，按键驱动并不规范，进一步将学习输入子系统（input）~。
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