15.设备驱动的IO（阻塞/非阻塞）

目录

IO操作

两个阶段

阻塞操作

非阻塞操作

非阻塞模式实验

dts_led.c文件

app.c文件

Makefile文件

执行过程

阻塞IO：等待队列

wait_queue_head结构体：等待队列头

初始化等待队列头

init_waitqueue_head()

DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name)

wait_queue_entry_t：等待队列元素

DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk)：初始化静态队列

add_wait_queue()：添加等待队列

remove_wait_queue()：移除等待队列

等待事件

唤醒

阻塞模式实验

dts_led.c文件

App.c文件

Makefile文件

执行过程

IO操作

在用户空间进行数据发送/读取。

方式：glibc库的文件操作接口，linux内核开放的系统调用接口。

两个阶段

用户空间《=》内核空间：用户空间调用glibc库的文件操作接口或者系统调用函数，陷入内核态执行。

内核空间《=》file_operation：在内核空间找到文件对应的fops，回调执行对应的函数指针。

阻塞操作

请求的资源没有准备好时，进程/线程睡眠等待，直到数据准备完毕。

非阻塞操作

请求的资源没有准备好时，直接返回错误信息。open函数的非阻塞标志：O_NONBLOCK。

非阻塞模式实验

要求体现非阻塞模式下，打开一个文件失败会立即返回。

dts_led.c文件

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>

#include <linux/string.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/platform_device.h>

#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/io.h>

#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>

#define DEV_NAME        "rgb_led"
#define DEV_CNT         (1)

int rgb_led_red;
int rgb_led_green;
int rgb_led_blue;

struct semaphore sem;

static dev_t led_devno;
static struct cdev led_chrdev;
struct class *class_led;
struct device *device;
struct device_node *rgb_led_device_node;

static int led_chrdev_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
        if(filp->f_flags & O_NONBLOCK){
                if(down_trylock(&sem)){
                        return -EBUSY;
                }
        }else{
                down(&sem);
        }

		printk("open form driver\n");
        return 0;
}

static ssize_t led_chrdev_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
        int ret, error;
        unsigned char receive_data[10];         //用于保存接收到的数据
        unsigned int write_data = 0;

        if(cnt > 10)    cnt = 10;

        error = copy_from_user(receive_data, buf, cnt);
        if(error < 0)   return -1;

        ret = kstrtoint(receive_data, 16, &write_data);
        if(ret)         return -1;

        /* 设置GPIO1_04输出电平 */
        if(write_data & 0x04){
                gpio_set_value(rgb_led_red, 0);
        }else{
                gpio_set_value(rgb_led_red, 1);
        }

        /* 设置GPIO4_20输出电平 */
        if(write_data & 0x02){
                gpio_set_value(rgb_led_green, 0);
        }else{
                gpio_set_value(rgb_led_green, 1);
        }

        /* 设置GPIO4_19输出电平 */
        if(write_data & 0x01){
                gpio_set_value(rgb_led_blue, 0);
        }else{
                gpio_set_value(rgb_led_blue, 1);
        }

        return cnt;
}

static int led_chrdev_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
        up(&sem);
        printk(KERN_ALERT "finished!!!\n");

        return 0;
}

static struct file_operations led_chrdev_fops = {
        .owner = THIS_MODULE,
        .open = led_chrdev_open,
        .write = led_chrdev_write,
        .release = led_chrdev_release,
};

static int led_probe(struct platform_device *pdv)
{
        int ret = -1;   //保存错误状态码
        unsigned int register_data = 0;

        printk(KERN_ALERT "match successed!\n");

        /* 获取rgb_led的设备树节点 */
        rgb_led_device_node = of_find_node_by_path("/rgb_led");
        if(rgb_led_device_node == NULL){
                printk(KERN_ERR "get rgb_led failed!\n");
                return -1;
        }

        /* 获取red led GPIO 引脚号 */
        rgb_led_red = of_get_named_gpio(rgb_led_device_node, "rgb_led_red", 0);
        if(rgb_led_red < 0){
                printk(KERN_ERR "rgb_led_red failed!\n");
                return -1;
        }

        /* 获取green led GPIO 引脚号 */
        rgb_led_green = of_get_named_gpio(rgb_led_device_node, "rgb_led_green", 0);
        if(rgb_led_green < 0){
                printk(KERN_ERR "rgb_led_green failed!\n");
                return -1;
        }

		/* 获取blue led GPIO 引脚号 */
        rgb_led_blue = of_get_named_gpio(rgb_led_device_node, "rgb_led_blue", 0);
        if(rgb_led_blue < 0){
                printk(KERN_ERR "rgb_led_blue failed!\n");
                return -1;
        }

        /* 设置GPIO为输出模式，并默认高电平 */
        gpio_direction_output(rgb_led_red, 1);
        gpio_direction_output(rgb_led_green, 1);
        gpio_direction_output(rgb_led_blue, 1);

        /* 第一步
         * 采用动态分配的方式获取设备编号，次设备号为0
         * 设备名称为rgb-leds，可通过命令cat /proc/devices查看
         * DEV_CNT为1，当前只申请一个设备编号
         */
        ret = alloc_chrdev_region(&led_devno, 0, DEV_CNT, DEV_NAME);
        if(ret < 0){
                printk("fail to alloc led_devno\n");
                goto alloc_err;
        }

        /* 第二步
         * 关联字符设备结构体cdev与文件操作结构体file_operations
         */
        led_chrdev.owner = THIS_MODULE;
        cdev_init(&led_chrdev, &led_chrdev_fops);

        /* 第三步
         * 添加设备到cdev_map哈希表中
         */
        ret = cdev_add(&led_chrdev, led_devno, DEV_CNT);
        if(ret < 0){
                printk("fail to add cdev\n");
                goto add_err;
        }

        /* 第四步：创建类 */
        class_led = class_create(THIS_MODULE, DEV_NAME);

        /* 第五步：创建设备 */
        device = device_create(class_led, NULL, led_devno, NULL, DEV_NAME);

        return 0;

alloc_err:
        return -1;
add_err:
        //添加设备失败时，需要注销设备号
        unregister_chrdev_region(led_devno, DEV_CNT);
        printk("error!\n");
}

static const struct of_device_id rgb_led[] = {
        {.compatible = "fire,rgb_led"},
        {/* sentinel */}
};

/* 定义平台设备结构体 */
struct platform_driver led_platform_driver = {
        .probe = led_probe,
        .driver = {
                .name = "rgb-leds-platform",
                .owner = THIS_MODULE,
                .of_match_table = rgb_led,
        }
};

static int __init led_platform_driver_init(void)
{
        int DriverState;

        sema_init(&sem, 1);
        DriverState = platform_driver_register(&led_platform_driver);
        printk(KERN_ALERT "DriverState is %d\n", DriverState);

        return 0;
}

static void __exit led_platform_driver_exit(void){
        /* 销毁设备 */
        device_destroy(class_led, led_devno);
        /* 删除设备号 */
        cdev_del(&led_chrdev);
        /* 取消注册字符设备 */
        unregister_chrdev_region(led_devno, DEV_CNT);
        /* 销毁类 */
        class_destroy(class_led);

        platform_driver_unregister(&led_platform_driver);

        printk(KERN_ALERT "led_platform_driver exit\n");
}

module_init(led_platform_driver_init);
module_exit(led_platform_driver_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("couvrir");
MODULE_DESCRIPTION("led module");
MODULE_ALIAS("led module");

app.c文件

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
 
int main(int argc, char *argv[])
{
        if(argc != 2){
                printf("commend error!\n");
                return -1;
        }
 
        int fd = open("/dev/rgb_led", O_RDWR | O_NONBLOCK);
        if(fd < 0){
                printf("open file:/dev/rgb_led failed!!!\n");
                return -1;
        }
 
        int error = write(fd, argv[1], sizeof(argv[1]));
        if(error < 0){
                printf("write file error!\n");
                close(fd);
        }
 
        sleep(10);
 
        error = close(fd);
        if(error < 0){
                printf("close file error!\n");
        }
 
        return 0;
}

Makefile文件

照旧

执行过程

虚拟机：

执行make和make copy。生成.ko文件。

开发板（在挂载目录下执行）：

sudo insmod dts_led.ko

ls /dev/rgb_led

sudo /mnt/App 1 &

sudo /mnt/App 2

sudo /mnt/App 1 &

sudo /mnt/App 2

sudo rmmod dts_led.ko

阻塞IO：等待队列

wait_queue_head结构体：等待队列头

该结构体存放在内核/include/linux/wait.h文件。

struct wait_queue_head
{
	spinlock_t		    lock;    // 自旋锁
	struct list_head	head;    // 链表节点类型
};
typedef struct wait_queue_head wait_queue_head_t;    // 起别名

初始化等待队列头

init_waitqueue_head()

该函数存放在内核/include/linux/wait.h文件。

// 初始化，注意wq_head是指针
#define init_waitqueue_head(wq_head)						\
	do {									\
		static struct lock_class_key __key;				\
										\
		__init_waitqueue_head((wq_head), #wq_head, &__key);		\
	} while (0)

DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name)

// 定义，再初始化
#define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) \
	struct wait_queue_head name = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name)

wait_queue_entry_t：等待队列元素

该结构体存放在内核/include/linux/wait.h文件。

struct wait_queue_entry
{
	unsigned int		flags;
	void			*private;
	wait_queue_func_t	func;
	struct list_head	entry;    // 通过此节点链接到等待队列（头）上
};
typedef struct wait_queue_entry wait_queue_entry_t

DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk)：初始化静态队列

该宏存放在内核/include/linux/wait.h文件。

// 静态定义一个等待队列元素
#define DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk)						\
	struct wait_queue_entry name = __WAITQUEUE_INITIALIZER(name, tsk)

add_wait_queue()：添加等待队列

该函数存放在内核/include/linux/wait.c文件。

/*
 * 把等待队列元素加入等待队列头
 * wq_head：等待队列项要加入的等待队列头
 * wq_entry：要加入的等待队列项
 */
void add_wait_queue(struct wait_queue_head *wq_head, struct wait_queue_entry *wq_entry);
//返回值：无

remove_wait_queue()：移除等待队列

该函数存放在内核/include/linux/wait.c文件。

/*
 * 把等待队列元素从等待队列头中移除
 * wq_head：等待队列项要移除的等待队列头
 * wq_entry：要移除的等待队列项
 */
void remove_wait_queue(struct wait_queue_head *wq_head, struct wait_queue_entry *wq_entry);
//返回值：无

等待事件

三个宏接口存放在内核/include/linux/wait.c文件。让进程或线程陷入休眠态。

// 被唤醒时只有condition的值为1，进程才能被唤醒。唤醒函数详见下
// 下面三个api 第一个参数为结构体变量，不是结构体指针变量

/*
 * wq_head：等待队列项要加入的等待队列头
 * condition：唤醒条件
 * timeout：超时时间
 */

// 陷入休眠态后，进程或者线程屏蔽信号
wait_event(wq_head, condition)

// 陷入休眠态后，进程或者线程仍能接收信号
wait_event_interruptible(wq_head, condition)

// 设置休眠的超时时间，进程或者线程休眠超过限定时间会自动唤醒
wait_event_timeout(wq_head, condition, timeout)

要想wait_event()函数跳出，需要两个条件：

condition = 1；

在内核的另一个地方调用了wake_up()函数来唤醒对应的等待队列。

wake_up()函数每次只能唤醒一个进程，而且是从队列头开始唤醒的，而wait_event()函数每次会将新建的等待队列插到队列头，因此最后调用wait_event()函数的进程先被唤醒。

如果要唤醒某个特定的进程，只能使用wake_up_all()函数唤醒所有进程，然后再通过condition条件来控制（每个进程使用不同的变量来控制，在wake_up_all()函数后只将要唤醒的进程的变量置为真）。

唤醒

该函数存放在内核/kernel/sched/wait.c文件。用来唤醒等待队列上休眠的进程或线程。

// 唤醒时，只有对应的condition为1才能被唤醒
void wake_up(wait_queue_head_t *q)
void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *q)

阻塞模式实验

向App应用程序输入0时（执行进程1，挂后台），希望这个进程1能够进入等待；

向App应用程序输入1时（执行进程2），希望这个进程2能够唤醒进程1并退出进程2；

进程1中判断写入值，如果为1，红灯亮。

dts_led.c文件

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>

#include <linux/string.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/platform_device.h>

#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/io.h>

#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>

#define DEV_NAME        "rgb_led"
#define DEV_CNT         (1)
  
int rgb_led_red;
int rgb_led_green;
int rgb_led_blue;

wait_queue_head_t wait_queue;
unsigned int write_data = 0;

static dev_t led_devno;
static struct cdev led_chrdev;
struct class *class_led;
struct device *device;
struct device_node *rgb_led_device_node;

static int led_chrdev_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
        printk("open form driver\n");
        return 0;
}

static ssize_t led_chrdev_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
        int ret, error;
        unsigned char receive_data[10];         //用于保存接收到的数据

        if(cnt > 10)    cnt = 10;

        error = copy_from_user(receive_data, buf, cnt);
        if(error < 0)   return -1;

        ret = kstrtoint(receive_data, 16, &write_data);
        if(ret)         return -1;

        if(write_data){
                wake_up(&wait_queue);
                return cnt;
        }else{
                wait_event(wait_queue, write_data);
        }

        /* 设置GPIO1_04输出电平 */
        if(write_data){
                gpio_set_value(rgb_led_red, 0);
        }

        return cnt;
}

static int led_chrdev_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
        printk(KERN_ALERT "finished!!!\n");

        return 0;
}

static struct file_operations led_chrdev_fops = {
        .owner = THIS_MODULE,
        .open = led_chrdev_open,
        .write = led_chrdev_write,
        .release = led_chrdev_release,
};

static int led_probe(struct platform_device *pdv)
{
        int ret = -1;   //保存错误状态码
        unsigned int register_data = 0;

        printk(KERN_ALERT "match successed!\n");

        /* 获取rgb_led的设备树节点 */
        rgb_led_device_node = of_find_node_by_path("/rgb_led");
        if(rgb_led_device_node == NULL){
                printk(KERN_ERR "get rgb_led failed!\n");
                return -1;
        }

        /* 获取red led GPIO 引脚号 */
        rgb_led_red = of_get_named_gpio(rgb_led_device_node, "rgb_led_red", 0);
        if(rgb_led_red < 0){
                printk(KERN_ERR "rgb_led_red failed!\n");
                return -1;
        }

        /* 获取green led GPIO 引脚号 */
        rgb_led_green = of_get_named_gpio(rgb_led_device_node, "rgb_led_green", 0);
        if(rgb_led_green < 0){
                printk(KERN_ERR "rgb_led_green failed!\n");
                return -1;
        }

                /* 获取blue led GPIO 引脚号 */
        rgb_led_blue = of_get_named_gpio(rgb_led_device_node, "rgb_led_blue", 0);
        if(rgb_led_blue < 0){
                printk(KERN_ERR "rgb_led_blue failed!\n");
                return -1;
        }

        /* 设置GPIO为输出模式，并默认高电平 */
        gpio_direction_output(rgb_led_red, 1);
        gpio_direction_output(rgb_led_green, 1);
        gpio_direction_output(rgb_led_blue, 1);

        /* 第一步
         * 采用动态分配的方式获取设备编号，次设备号为0
         * 设备名称为rgb-leds，可通过命令cat /proc/devices查看
         * DEV_CNT为1，当前只申请一个设备编号
         */
        ret = alloc_chrdev_region(&led_devno, 0, DEV_CNT, DEV_NAME);
		if(ret < 0){
                printk("fail to alloc led_devno\n");
                goto alloc_err;
        }

        /* 第二步
         * 关联字符设备结构体cdev与文件操作结构体file_operations
         */
        led_chrdev.owner = THIS_MODULE;
        cdev_init(&led_chrdev, &led_chrdev_fops);

        /* 第三步
         * 添加设备到cdev_map哈希表中
         */
        ret = cdev_add(&led_chrdev, led_devno, DEV_CNT);
        if(ret < 0){
                printk("fail to add cdev\n");
                goto add_err;
        }

        /* 第四步：创建类 */
        class_led = class_create(THIS_MODULE, DEV_NAME);

        /* 第五步：创建设备 */
        device = device_create(class_led, NULL, led_devno, NULL, DEV_NAME);

        return 0;

alloc_err:
        return -1;
add_err:
        //添加设备失败时，需要注销设备号
        unregister_chrdev_region(led_devno, DEV_CNT);
        printk("error!\n");
}

static const struct of_device_id rgb_led[] = {
        {.compatible = "fire,rgb_led"},
        {/* sentinel */}
};

/* 定义平台设备结构体 */
struct platform_driver led_platform_driver = {
        .probe = led_probe,
        .driver = {
                .name = "rgb-leds-platform",
                .owner = THIS_MODULE,
                .of_match_table = rgb_led,
        }
};

static int __init led_platform_driver_init(void)
{
        int DriverState;

        init_waitqueue_head(&wait_queue);
        DriverState = platform_driver_register(&led_platform_driver);
        printk(KERN_ALERT "DriverState is %d\n", DriverState);

        return 0;
}

static void __exit led_platform_driver_exit(void){
        /* 销毁设备 */
        device_destroy(class_led, led_devno);
        /* 删除设备号 */
        cdev_del(&led_chrdev);
        /* 取消注册字符设备 */
        unregister_chrdev_region(led_devno, DEV_CNT);
        /* 销毁类 */
        class_destroy(class_led);

                platform_driver_unregister(&led_platform_driver);

        printk(KERN_ALERT "led_platform_driver exit\n");
}

module_init(led_platform_driver_init);
module_exit(led_platform_driver_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("couvrir");
MODULE_DESCRIPTION("led module");
MODULE_ALIAS("led module");

App.c文件

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
        if(argc != 2){
                printf("commend error!\n");
                return -1;
        }

        int fd = open("/dev/rgb_led", O_RDWR);
        if(fd < 0){
                printf("open file:/dev/rgb_led failed!!!\n");
                return -1;
        }

        int error = write(fd, argv[1], sizeof(argv[1]));
        if(error < 0){
                printf("write file error!\n");
                close(fd);
        }

        error = close(fd);
        if(error < 0){
                printf("close file error!\n");
        }

        return 0;
}

Makefile文件

照旧

执行过程

虚拟机：

执行make和make copy。生成.ko文件。

开发板（在挂载目录下执行）：

sudo insmod dts_led.ko

sudo App 0 &

sudo App 1

sudo rmmod dts_led.ko

​​​​​​​

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