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文章介绍：

🎉本篇文章对Linux驱动基础学习的相关知识进行分享！🥳🥳🥳

   在做单片机开发时，要读取 GPIO 按键，我们通常是执行一个循环，不断地检测 GPIO 引脚电平有没有发生变化。但是在 Linux 系统中，读取 GPIO 按键要考虑到效率，引入了很多种方法：查询方式(非阻塞)、休眠-唤醒(阻塞方式)、 poll 方式、异步通知方式。

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目录：

目录

一、APP 怎么读取按键值

1.1 驱动的基本技能：

1.2 APP 开发的基本技能：

二、妈妈怎么知道孩子醒了

2.1 时不时进房间看一下：查询方式

2.2 进去房间陪小孩一起睡觉，小孩醒了会吵醒她：休眠-唤醒

2.3 妈妈要干很多活，但是可以陪小孩睡一会，定个闹钟：poll 方式

2.4 妈妈在客厅干活，小孩醒了他会自己走出房门告诉妈妈：异步通知

三、APP 读取按键的 4 种方法

3.1 查询方式

3.2 休眠-唤醒方式

3.3  poll 方式

3.4 异步通知方式 

3.4.1 异步通知的原理：发信号

3.4.2 应用程序之间发信号示例代码

 四、驱动程序提供能力，不提供策略

---

一、APP 怎么读取按键值

        在做单片机开发时，要读取 GPIO 按键，我们通常是执行一个循环，不断地检测 GPIO 引脚电平有没有发生变化。但是在 Linux 系统中，读取 GPIO 按键要考虑到效率，引入了很多种方法：查询方式(非阻塞)、休眠-唤醒(阻塞方式)、 poll 方式、异步通知方式。这 4 种方法并不仅仅用于 GPIO 按键，在所有的 APP 调用驱动程序过程中，都是使用这些方法。通过这 4 种方式的学习，我们可以掌握如下知识：

1.1 驱动的基本技能：

        中断、休眠、唤醒、poll 等机制。

        这些基本技能是驱动开发的基础，其他大型驱动复杂的地方是它的框架及设计思想，但是基本技术就这些。

1.2 APP 开发的基本技能：

        阻塞 、非阻塞、休眠、poll、异步通知。

二、妈妈怎么知道孩子醒了

 妈妈怎么知道卧室里小孩醒了？

2.1 时不时进房间看一下：查询方式

        简单，但是累

2.2 进去房间陪小孩一起睡觉，小孩醒了会吵醒她：休眠-唤醒

        不累，但是妈妈干不了活了

2.3 妈妈要干很多活，但是可以陪小孩睡一会，定个闹钟：poll 方式

         要浪费点时间，但是可以继续干活。

         妈妈要么是被小孩吵醒，要么是被闹钟吵醒。

2.4 妈妈在客厅干活，小孩醒了他会自己走出房门告诉妈妈：异步通知

        妈妈、小孩互不耽误

这 4 种方法没有优劣之分，在不同的场合使用不同的方法。

三、APP 读取按键的 4 种方法

APP 去读取按键和举例的场景很相似，也有 4 种方法：

查询方式                 休眠-唤醒方式                 poll 方式                 异步通知方式

第 2、3、4 种方法，都涉及中断服务程序。中断，就像小孩醒了会哭闹一样， 中断不经意间到来，它会做某些事情：唤醒 APP、向 APP 发信号。

所以，在按键驱动程序中，中断是核心。

        实际上，中断无论是在单片机还是在 Linux 中都很重要。在 Linux 中，中断的知识还涉及进程、线程等。 

写一个驱动程序的套路     

 

3.1 查询方式

这种方法最简单：和之前的LED驱动程序类似，之前是写引脚来改变高低电平，现在我们是不断读取引脚来查询是否发生电平的变化

        驱动程序中构造、注册一个 file_operations 结构体，里面提供有对应的 open,read 函数。        

        APP 调用 open 时，导致驱动中对应的 open 函数被调用，在里面配置 GPIO 为输入引脚。

        APP 调用 read 时，导致驱动中对应的 read 函数被调用，它读取寄存器，把引脚状态直接返回给 APP。

3.2 休眠-唤醒方式

 驱动程序中构造、注册一个 file_operations 结构体，里面提供有对应的 open,read 函数。

        APP 调用 open 时，导致驱动中对应的 open 函数被调用，在里面配置 GPIO 为输入引脚；并且注册 GPIO 的中断处理函数。

        APP 调用 read 时，导致驱动中对应的 read 函数被调用，如果有按键数据则直接返回给 APP；否则 APP 在内核态休眠。

        当用户按下按键时，GPIO 中断被触发，导致驱动程序之前注册的中断服务程序被执行。它会记录按键数据，并唤醒休眠中的 APP。

        APP 被唤醒后继续在内核态运行，即继续执行驱动代码，把按键数据返回给 APP(的用户空间)。

3.3  poll 方式

        上面的休眠-唤醒方式有个缺点：如果用户一直没操作按键，那么 APP 就会永远休眠。 我们可以给 APP 定个闹钟，这就是 poll 方式。

 驱动程序中构造、注册一个 file_operations 结构体，里面提供有对应的 open,read,poll 函数。

        APP 调用 open 时，导致驱动中对应的 open 函数被调用，在里面配置 GPIO 为输入引脚；并且注册 GPIO 的中断处理函数。

        APP 调用 poll 或 select 函数，意图是“查询”是否有数据，这 2 个 函数都可以指定一个超时时间，即在这段时间内没有数据的话就返回错误。这会导致驱动中对应的 poll 函数被调用，如果有按键数据则直接返回给 APP；否则 APP 在内核态休眠一段时间。

        当用户按下按键时，GPIO 中断被触发，导致驱动程序之前注册的中断服务程序被执行。它会记录按键数据，并唤醒休眠中的 APP。

        如果用户没按下按键，但是超时时间到了，内核也会唤醒 APP。

        所以 APP 被唤醒有 2 种原因：用户操作了按键，超时。被唤醒的 APP 在内核态继续运行，即继续执行驱动代码，把“状态”返回给 APP(的用户空间)。

        APP 得到 poll/select 函数的返回结果后，如果确认是有数据的，则再调用 read 函数，这会导致驱动中的 read 函数被调用，这时驱动程序中含有数据，会直接返回数据。

3.4 异步通知方式 

3.4.1 异步通知的原理：发信号

异步通知的实现原理是：内核给 APP 发信号。信号有很多种，这里发的是 SIGIO。 

驱动程序给应用程序发信号，应用程序收到信号后执行它的信号处理函数

驱动程序中构造、注册一个file_operations 结构体，里面提供有对应的 open,read,fasync函数。

◼ APP 调用 open 时，导致驱动中对应的 open 函数被调用，在里面配置 GPIO 为输入引脚；并且注册 GPIO 的中断处理函数。

◼ APP 给信号 SIGIO 注册自己的处理函数：my_signal_fun。

◼ APP 调用 fcntl 函数，把驱动程序的 flag 改为 FASYNC，这会导致驱动程序的 fasync 函数被调用，它只是简单记录进程 PID。

◼ 当用户按下按键时，GPIO 中断被触发，导致驱动程序之前注册的中断服务程序被执行。它会记录按键数据，然后给进程 PID 发送 SIGIO 信号。

◼ APP 收到信号后会被打断，先执行信号处理函数：在信号处理函数中可以去调用 read 函数读取按键值。

◼ 信号处理函数返回后，APP 会继续执行原先被打断的代码。

3.4.2 应用程序之间发信号示例代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
void my_sig_func(int signo)
{
    printf("get a signal : %d\n", signo);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    int i = 0;
    
    signal(SIGIO, my_sig_func);        //事件处理函数，如果这里没有事件处理函数，则收到应用程序的信号就会停下退出，如果有事件处理函数，则收到应用程序后先执行事件处理函数再继续执行不会停止进程
    
    while (1) 
    {
        printf("Hello, world %d!\n", i++);    
        sleep(2);
    }
    
    return 0;
}

第 13 行注册信号处理函数

第 15 行就是一个无限循环。在它运行期间，你可以 用另一个 APP 发信号给它。 

$ gcc -o signal signal.c // 编译程序
$ ./signal & // 后台运行
$ ps -A | grep signal // 查看进程 ID，假设是 9527
$ kill -SIGIO 9527 // 给这个进程发信号

book@100ask:~/05_嵌入式Linux驱动开发基础知识/source/03_signal_example$ gcc -o signal signal.c
book@100ask:~/05_嵌入式Linux驱动开发基础知识/source/03_signal_example$ ./signal

 

重新开一个进程查询ID

book@100ask:~$ ps -A

book@100ask:~$ kill -SIGIO 4491

这样另一边的进程就收到信息了

 

 四、驱动程序提供能力，不提供策略

        我们的驱动程序可以实现上述 4 种提供按键的方法，但是驱动程序不应该限制 APP 使用哪种方法。

        这就是驱动设计的一个原理：提供能力，不提供策略。就是说，你想用哪种方法都行，驱动程序都可以提供；但是驱动程序不能限制你使用哪种方法  。     

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