嵌入式Linux应用开发-基础知识-第十九章驱动程序基石①
- 第十九章 驱动程序基石①
- 19.1 休眠与唤醒
- 19.1.1 适用场景
- 19.1.2 内核函数
- 19.1.2.1 休眠函数
- 19.1.2.2 唤醒函数
- 19.1.3 驱动框架
- 19.1.4 编程
- 19.1.4.1 驱动程序关键代码
- 19.1.4.2 应用程序
- 19.1.5 上机实验
- 19.1.6 使用环形缓冲区改进驱动程序
- 19.2 POLL机制
- 19.2.1 适用场景
- 19.2.2 使用流程
- 19.2.3 驱动编程
- 19.2.4 应用编程
- 19.2.5 现场编程
- 19.2.6 上机实验
- 19.2.7 POLL机制的内核代码详解
- 19.2.7.1 sys_poll函数
- 19.2.7.2
- 19.2.7.3
第十九章 驱动程序基石①
19.1 休眠与唤醒
19.1.1 适用场景
在前面引入中断时,我们曾经举过一个例子:
妈妈怎么知道卧室里小孩醒了?
① 时不时进房间看一下:查询方式
简单,但是累
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
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。
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
当应用程序必须等待某个事件发生,比如必须等待按键被按下时,可以使用“休眠-唤醒”机制:
① APP调用 read等函数试图读取数据,比如读取按键;
② APP进入内核态,也就是调用驱动中的对应函数,发现有数据则复制到用户空间并马上返回; ③ 如果 APP在内核态,也就是在驱动程序中发现没有数据,则 APP休眠;
④ 当有数据时,比如当按下按键时,驱动程序的中断服务程序被调用,它会记录数据、唤醒 APP;
⑤ APP继续运行它的内核态代码,也就是驱动程序中的函数,复制数据到用户空间并马上返回。
驱动中有数据时,下图中红线就是 APP1的执行过程,涉及用户态、内核态:
驱动中没有数据时,APP1在内核态执行到 drv_read时会休眠。所谓休眠就是把自己的状态改为非RUNNING,这样内核的调度器就不会让它运行。当按下按键,驱动程序中的中断服务程序被调用,它会记录数据,并唤醒 APP1。所以唤醒就是把程序的状态改为 RUNNING,这样内核的调度器有合适的时间就会让它运行。当 APP1再次运行时,就会继续执行 drv_read中剩下的代码,把数据复制回用户空间,返回用户空间。APP1的执行过程如下图的红色实线所示,它被分成了 2段:
值得注意的是,上面 2个图中红线部分都属于 APP1的“上下文”,或者这样说:红线所涉及的代码,都是 APP1调用的。但是按键的中断服务程序,不属于 APP1的“上下文”,这是突如其来的,当中断发生时,APP1正在休眠呢。
在 APP1的“上下文”,也就是在 APP1的执行过程中,它是可以休眠的。
在中断的处理过程中,也就是 gpio_key_irq的执行过程中,它不能休眠:“中断”怎么能休眠?“中断”休眠了,谁来调度其他 APP啊?
所以,请记住:在中断处理函数中,不能休眠,也就不能调用会导致休眠的函数。
19.1.2 内核函数
19.1.2.1 休眠函数
参考内核源码:include\linux\wait.h。
比较重要的参数就是:
① wq:waitqueue,等待队列
休眠时除了把程序状态改为非 RUNNING之外,还要把进程/进程放入 wq中,以后中断服务程序
要从 wq中把它取出来唤醒。
没有 wq的话,茫茫人海中,中断服务程序去哪里找到你?
② condition
这可以是一个变量,也可以是任何表达式。表示“一直等待,直到 condition为真”。
19.1.2.2 唤醒函数
参考内核源码:include\linux\wait.h。
19.1.3 驱动框架
驱动框架如下:
要休眠的线程,放在 wq队列里,中断处理函数从 wq队列里把它取出来唤醒。 所以,我们要做这几件事:
① 初始化 wq队列
② 在驱动的 read函数中,调用 wait_event_interruptible:
它本身会判断 event是否为 FALSE,如果为 FASLE表示无数据,则休眠。
当从 wait_event_interruptible返回后,把数据复制回用户空间。
③ 在中断服务程序里:
设置 event为 TRUE,并调用 wake_up_interruptible唤醒线程。
19.1.4 编程
使用 GIT命令载后,源码位于这个目录下:
01_all_series_quickstart\
05_嵌入式 Linux驱动开发基础知识\source\
06_gpio_irq\ 02_read_key_irq\ 和 03_read_key_irq_circle_buffer
03_read_key_irq_circle_buffer使用了环型缓冲区,可以避免按键丢失。
19.1.4.1 驱动程序关键代码
02_read_key_irq\gpio_key_drv.c中,要先定义“wait queue”:
41 static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(gpio_key_wait);
在驱动的读函数里调用 wait_event_interruptible:
44 static ssize_t gpio_key_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
45 {
46 //printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
47 int err;
48
49 wait_event_interruptible(gpio_key_wait, g_key);
50 err = copy_to_user(buf, &g_key, 4);
51 g_key = 0;
52
53 return 4;
54 }
第 49行并不一定会进入休眠,它会先判断 g_key是否为 TRUE。
执行到第 50行时,表示要么有了数据(g_key为 TRUE),要么有信号等待处理(本节课程不涉及信号)。
假设 g_key等于 0,那么 APP会执行到上述代码第 49行时进入休眠状态。它被谁唤醒?被控制的中断服务程序:
64 static irqreturn_t gpio_key_isr(int irq, void *dev_id)
65 {
66 struct gpio_key *gpio_key = dev_id;
67 int val;
68 val = gpiod_get_value(gpio_key->gpiod);
69
70
71 printk("key %d %d\n", gpio_key->gpio, val);
72 g_key = (gpio_key->gpio << 8) | val;
73 wake_up_interruptible(&gpio_key_wait);
74
75 return IRQ_HANDLED;
76 }
上述代码中,第 72行确定按键值 g_key,g_key也就变为 TRUE了。
然后在第 73行唤醒 gpio_key_wait中的第 1个线程。
注意这 2个函数,一个没有使用“&”,另一个使用了“&”:
wait_event_interruptible(gpio_key_wait, g_key);
wake_up_interruptible(&gpio_key_wait);
19.1.4.2 应用程序
应用程序并不复杂,调用 open、read即可,代码在 button_test.c中:
25 /* 2. 打开文件 */
26 fd = open(argv[1], O_RDWR);
27 if (fd == -1)
28 {
29 printf("can not open file %s\n", argv[1]);
30 return -1;
31 }
32
33 while (1)
34 {
35 /* 3. 读文件 */
36 read(fd, &val, 4);
37 printf("get button : 0x%x\n", val);
38 }
在 33行~38行的循环中,APP基本上都是休眠状态。你可以执行 top命令查看 CPU占用率。
19.1.5 上机实验
跟上一节视频类似,需要先修改设备树,请使用上一节视频的设备树文件。
然后安装驱动程序,运行测试程序。
# insmod -f gpio_key_drv.ko
# ls /dev/xxxxxx_gpio_key
/dev/xxxxxx_gpio_key
# ./button_test /dev/xxxxxx_gpio_key &
# top
19.1.6 使用环形缓冲区改进驱动程序
使用 GIT命令载后,源码位于这个目录下:
01_all_series_quickstart\
05_嵌入式 Linux驱动开发基础知识\source\
06_gpio_irq\ 03_read_key_irq_circle_buffer
使用环形缓冲区,可以在一定程序上避免按键数据丢失,关键代码如下:
使用环形缓冲区之后,休眠函数可以这样写:
86 wait_event_interruptible(gpio_key_wait, !is_key_buf_empty()); 87 key = get_key();
88 err = copy_to_user(buf, &key, 4);
唤醒函数可以这样写:
111 key = (gpio_key->gpio << 8) | val;
112 put_key(key);
113 wake_up_interruptible(&gpio_key_wait);
19.2 POLL机制
使用 GIT命令载后,本节源码位于这个目录下:
01_all_series_quickstart\
05_嵌入式 Linux驱动开发基础知识\source\
06_gpio_irq\ 04_read_key_irq_poll
19.2.1 适用场景
在前面引入中断时,我们曾经举过一个例子:
妈妈怎么知道卧室里小孩醒了?
① 时不时进房间看一下:查询方式
简单,但是累
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
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。
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
使用休眠-唤醒的方式等待某个事件发生时,有一个缺点:等待的时间可能很久。我们可以加上一个超时时间,这时就可以使用 poll机制。
① APP不知道驱动程序中是否有数据,可以先调用 poll函数查询一下,poll函数可以传入超时时间;
② APP进入内核态,调用到驱动程序的 poll函数,如果有数据的话立刻返回;
③ 如果发现没有数据时就休眠一段时间;
④ 当有数据时,比如当按下按键时,驱动程序的中断服务程序被调用,它会记录数据、唤醒 APP; ⑤ 当超时时间到了之后,内核也会唤醒 APP;
⑥ APP根据 poll函数的返回值就可以知道是否有数据,如果有数据就调用 read得到数据
19.2.2 使用流程
妈妈进入房间时,会先看小孩醒没醒,闹钟响之后走出房间之前又会再看小孩醒没醒。 注意:看了 2次小孩!
POLL机制也是类似的,流程如下:
函数执行流程如上图①~⑧所示,重点从③开始看。假设一开始无按键数据:
③ APP调用 poll之后,进入内核态;
④ 导致驱动程序的 drv_poll被调用:
注意,drv_poll要把自己这个线程挂入等待队列 wq中;假设不放入队列里,那以后发生中断时,中断服务程序去哪里找到你嘛?
drv_poll还会判断一下:有没有数据啊?返回这个状态。
⑤ 假设当前没有数据,则休眠一会;
⑥ 在休眠过程中,按下了按键,发生了中断:
在中断服务程序里记录了按键值,并且从 wq中把线程唤醒了。
⑦ 线程从休眠中被唤醒,继续执行 for循环,再次调用 drv_poll:
drv_poll返回数据状态
⑧ 哦,你有数据,那从内核态返回到应用态吧
⑨ APP调用 read函数读数据
如果一直没有数据,调用流程也是类似的,重点从③开始看,如下:
③ APP调用 poll之后,进入内核态;
④ 导致驱动程序的 drv_poll被调用:
注意,drv_poll要把自己这个线程挂入等待队列 wq中;假设不放入队列里,那以后发生中断时,中断服务程序去哪里找到你嘛?
drv_poll还会判断一下:有没有数据啊?返回这个状态。
⑤ 假设当前没有数据,则休眠一会;
⑥ 在休眠过程中,一直没有按下了按键,超时时间到:内核把这个线程唤醒; ⑦ 线程从休眠中被唤醒,继续执行 for循环,再次调用 drv_poll:
drv_poll返回数据状态
⑧ 哦,你还是没有数据,但是超时时间到了,那从内核态返回到应用态吧
⑨ APP不能调用 read函数读数据
注意几点:
① drv_poll要把线程挂入队列 wq,但是并不是在 drv_poll中进入休眠,而是在调用 drv_poll之后休眠
② drv_poll要返回数据状态
③ APP调用一次 poll,有可能会导致 drv_poll被调用 2次
④ 线程被唤醒的原因有 2:中断发生了去队列 wq中把它唤醒,超时时间到了内核把它唤醒
⑤ APP要判断 poll返回的原因:有数据,还是超时。有数据时再去调用 read函数。
19.2.3 驱动编程
使用 poll机制时,驱动程序的核心就是提供对应的 drv_poll函数。
在 drv_poll函数中要做 2件事:
① 把当前线程挂入队列 wq:poll_wait
APP调用一次 poll,可能导致 drv_poll被调用 2次,但是我们并不需要把当前线程挂入队列 2次。
可以使用内核的函数 poll_wait把线程挂入队列,如果线程已经在队列里了,它就不会再次挂入。
② 返回设备状态:
APP调用 poll函数时,有可能是查询“有没有数据可以读”:POLLIN,也有可能是查询“你有没有空间给我写数据”:POLLOUT。
所以 drv_poll要返回自己的当前状态:(POLLIN | POLLRDNORM) 或 (POLLOUT | POLLWRNORM)。
POLLRDNORM等同于 POLLIN,为了兼容某些 APP把它们一起返回。
POLLWRNORM等同于 POLLOUT ,为了兼容某些 APP把它们一起返回。
APP调用 poll后,很有可能会休眠。对应的,在按键驱动的中断服务程序中,也要有唤醒操作。
驱动程序中 poll的代码如下:
static unsigned int gpio_key_drv_poll(struct file *fp, poll_table * wait)
{ printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__); poll_wait(fp, &gpio_key_wait, wait); return is_key_buf_empty() ? 0 : POLLIN | POLLRDNORM;
}
19.2.4 应用编程
注意:APP可以调用 poll或 select函数,这 2个函数的作用是一样的。 poll/select函数可以监测多个文件,可以监测多种事件:
在调用 poll函数时,要指明:
① 你要监测哪一个文件:哪一个 fd
② 你想监测这个文件的哪种事件:是 POLLIN、还是 POLLOUT 最后,在 poll函数返回时,要判断状态。
应用程序代码如下:
struct pollfd fds[1];
int timeout_ms = 5000; int ret;
fds[0].fd = fd;
fds[0].events = POLLIN;
ret = poll(fds, 1, timeout_ms);
if ((ret == 1) && (fds[0].revents & POLLIN)) { read(fd, &val, 4); printf("get button : 0x%x\n", val);
}
19.2.5 现场编程
19.2.6 上机实验
19.2.7 POLL机制的内核代码详解
Linux APP系统调用,基本都可以在它的名字前加上“sys_”前缀,这就是它在内核中对应的函数。比如系统调用 open、read、write、poll,与之对应的内核函数为:sys_open、sys_read、sys_write、sys_poll。
对于系统调用 poll或 select,它们对应的内核函数都是 sys_poll。分析 sys_poll,即可理解 poll机制。
19.2.7.1 sys_poll函数
sys_poll位于fs/select.c文件中,代码如下:
SYSCALL_DEFINE3(poll, struct pollfd __user *, ufds, unsigned int, nfds, int, timeout_msecs)
{ struct timespec64 end_time, *to = NULL; int ret;
if (timeout_msecs >= 0) { to = &end_time; poll_select_set_timeout(to, timeout_msecs / MSEC_PER_SEC, NSEC_PER_MSEC * (timeout_msecs % MSEC_PER_SEC)); } ret = do_sys_poll(ufds, nfds, to);
……
SYSCALL_DEFINE3是一个宏,它定义于 include/linux/syscalls.h,展开后就有 sys_poll函数。 sys_poll对超时参数稍作处理后,直接调用do_sys_poll。
19.2.7.2
do_sys_poll函数
do_sys_poll位于 fs/select.c文件中,我们忽略其他代码,只看关键部分:
int do_sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds, struct timespec64 *end_time)
{
…… poll_initwait(&table); fdcount = do_poll(head, &table, end_time); poll_freewait(&table);
……
}
poll_initwait函数非常简单,它初始化一个 poll_wqueues变量 table:
poll_initwait
init_poll_funcptr(&pwq->pt, __pollwait);
pt->qproc = qproc;
即 table->pt->qproc = __pollwait,__pollwait将在驱动的 poll函数里用到。 do_poll函数才是核心,继续看代码。
19.2.7.3
do_poll函数
do_poll函数位于 fs/select.c文件中,这是 POLL机制中最核心的代码,贴图如下:
① 从这里开始,将会导致驱动程序的 poll函数被第一次调用。
沿着②③④⑤,你可以看到:驱动程序里的 poll_wait会调用__pollwait函数把线程放入某个队列。
当执行完①之后,在⑥或⑦处,pt->_qproc被设置为 NULL,所以第二次调用驱动程序的 poll时,不会再次把线程放入某个队列里。
⑧ 如果驱动程序的 poll返回有效值,则 count非 0,跳出循环;
⑨ 否则休眠一段时间;当休眠时间到,或是被中断唤醒时,会再次循环、再次调用驱动程序的 poll。
回顾 APP的代码,APP可以指定“想等待某些事件”,poll函数返回后,可以知道“发生了哪些事件”:
驱动程序里怎么体现呢?在上上一个图中,看②位置处,细说如下: