一、内核定时器
1、内核定时器
使用方法:
2、系统时钟中断处理函数
1)更新时间
2)检查当前时间片是否耗尽
Linux操作系统是基于时间片轮询的,属于抢占式的内核
3)jiffies++
3、基本概念
1)HZ
HZ决定了1秒钟产生系统时钟中断的次数
2)tick
tick时钟滴答数
tick = 1 / HZ
记录了两次系统时钟中断之间的时间间隔
3)jiffies
记录了自开机以来,系统时钟中断产生的次数
4、内核定时器
1)timer_list
2)操作系统定时器
【1】定义变量
struct timer_list led_timer;
【2】初始化
init_timer(timer)
【3】启动定时器
void add_timer(struct timer_list *timer)
int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires)
【4】停止定时器
int del_timer(struct timer_list *timer)
3)实验
【1】进入工程目录
cd /home/zjd/s5p6818/KERNEL/drivers
【2】创建新的工程
mkdir timer_led
【3】编写程序
vim timer_led.c
#include <linux/init.h> #include <linux/module.h> #include <mach/platform.h> #include <linux/gpio.h> #include <linux/timer.h>MODULE_LICENSE("GPL"); MODULE_AUTHOR("Zjd");// step_2 : define the gpio_b26 #define LED0 (PAD_GPIO_B + 26) // step_5 : define the global var struct timer_list led_timer;// step_7 : implement the fun when the time is over void timer_func(unsigned long data) {// step_8 : set the LED0 valuegpio_set_value(LED0, data);// step_9 : reverse the LED0led_timer.data = !data;// step_10 : begin count timer, second is 1smod_timer(&led_timer, jiffies + 1 * HZ); }int __init timer_led_init(void) {// step_1 : request the gpiogpio_request(LED0, "led0");// step_3 : set output mode, default value is 1, the turn_off ledgpio_direction_output(LED0, 1);// step_4 : initialize the timerinit_timer(&led_timer);// set the intervalue timerled_timer.expires = jiffies + 1 * HZ;// set the fun when the timer overled_timer.function = timer_func;// set the param of timer_funcled_timer.data = 0;// step_6 : turn on the timeradd_timer(&led_timer);return 0; }void __exit timer_led_exit(void) {// step_11 : stop the timerdel_timer(&led_timer);// step_12 : destory the gpiogpio_free(LED0);return ; }module_init(timer_led_init); module_exit(timer_led_exit);
【4】编写Makefile
vim Makefile
obj-m += timer_led.o KERNEL_PATH=/home/zjd/s5p6818/KERNEL/kernel ROOTFS_PATH=/nfs_share/rootfsall:make -C $(KERNEL_PATH) M=$(PWD) modulescp *.ko $(ROOTFS_PATH)clean:make -C $(KERNEL_PATH) M=$(PWD) clean
【5】编译工程
make
【6】下位机测试
telnet 192.168.1.6
insmod timer_led.ko
【7】流水灯
vim water_led.c
#include <linux/init.h> #include <linux/module.h> #include <linux/gpio.h> #include <linux/timer.h> #include <mach/platform.h>MODULE_LICENSE("GPL"); MODULE_AUTHOR("zjd");#define LED0 (PAD_GPIO_B + 26) #define LED1 (PAD_GPIO_C + 11) #define LED2 (PAD_GPIO_C + 7) #define LED3 (PAD_GPIO_C + 12)struct timer_list led_timer; unsigned int led[] = {LED0, LED1, LED2, LED3};void led_function(unsigned long data) {static int pre = 0;static int next = 0;led_timer.data = !data;gpio_set_value(led[pre], led_timer.data);next = (pre + 1) % (sizeof(led) / sizeof(led[0]));led_timer.data = !led_timer.data;gpio_set_value(led[next], led_timer.data);pre = next;mod_timer(&led_timer, jiffies + HZ / 2); }int __init led_drv_init(void) {gpio_request(LED0, "led0");gpio_request(LED1, "led1");gpio_request(LED2, "led2");gpio_request(LED3, "led3");gpio_direction_output(LED0, 1);gpio_direction_output(LED1, 1);gpio_direction_output(LED2, 1);gpio_direction_output(LED3, 1);init_timer(&led_timer);led_timer.expires = jiffies + HZ / 2;led_timer.function = led_function;led_timer.data = 0;add_timer(&led_timer);return 0; }void __exit led_drv_exit(void) {del_timer(&led_timer);gpio_free(LED0);gpio_free(LED1);gpio_free(LED2);gpio_free(LED3);return ; }module_init(led_drv_init); module_exit(led_drv_exit);
二、内核的竞态与并发
1、介绍
PC机上的串口设备是一种独占式访问的设备(只能有一个进程进行访问),独占式操作的实现是在串口的驱动程序中实现的,我们希望按键设备只允许一个进程进行访问。
2、基础实验
【1】进入工程目录
cd /home/zjd/s5p6818/KERNEL/drivers
【2】创建新的工程
mkdir single_btn
【3】编写程序
vim single_btn.c
#include <linux/init.h> #include <linux/module.h> #include <linux/cdev.h> #include <linux/fs.h> #include <linux/device.h>MODULE_LICENSE("GPL");//[2]定义全局变量----设备号 dev_t dev; //[4]定义全局变量----cdev对象 struct cdev btn_cdev; //[7]定义全局指针----class类 struct class *btn_cls = NULL;//[d]按照原型实现btn_open int btn_open(struct inode *inode, struct file *fp) {printk("<0>" "enter : %s\n", __func__);return 0; }//[e]按照原型实现btn_close int btn_close(struct inode *inode, struct file *fp) {printk("<0>" "enter : %s\n", __func__);return 0; }//[c]定义全局变量---操作函数集合 struct file_operations btn_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = btn_open,.release = btn_close };int __init btn_drv_init(void) {//[1]申请设备号alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, "btn");//[3]初始化 cdev 对象cdev_init(&btn_cdev, &btn_fops);//[5]注册 cdev 对象到内核中cdev_add(&btn_cdev, dev, 1);//[6]自动创建设备文件(创建树枝)btn_cls = class_create(THIS_MODULE, "mybuttons");//(创建果实)device_create(btn_cls, NULL, dev, NULL, "buttons");return 0; }void __exit btn_drv_exit(void) {//[8]销毁设备文件(销毁果实)device_destroy(btn_cls, dev);//[9]销毁设备文件依赖的设备树(销毁树枝)class_destroy(btn_cls);//[a]注销 cdev 对象cdev_del(&btn_cdev);//[b]释放设备号unregister_chrdev_region(dev, 1);return ; }module_init(btn_drv_init); module_exit(btn_drv_exit);
【4】编写Makefile
vim Makefile
obj-m += signal_btn.o KERNEL_PATH=/home/zjd/s5p6818/KERNEL/kernel ROOTFS_PATH=/nfs_share/_installall:make -C $(KERNEL_PATH) M=$(PWD) modulescp *.ko $(ROOTFS_PATH)clean:make -C $(KERNEL_PATH) M=$(PWD) clean
【5】编译工程
make
【6】编写应用层程序
mkdir test
cd test
vim btn_test.c
#include <stdio.h> #include <sys/types.h> #include <sys/stat.h> #include <fcntl.h> #include <unistd.h>int main(void) {int fd = open("/dev/buttons", O_RDONLY);if(fd < 0){perror("open()");return -1;}printf("open success!\n");while (1) {;}close(fd);return 0; }
vim Makefile
SRC=btn_test.c OBJ=btn_testARM_COMPILE=arm-cortex_a9-linux-gnueabi- GCC=gccROOTFS_PATH=/nfs_share/_installall:$(ARM_COMPILE)$(GCC) $(SRC) -o $(OBJ)cp $(OBJ) $(ROOTFS_PATH)clean:rm -rf $(OBJ)
【7】编译工程
make
【8】下位机测试
insmod single_btn.ko
./btn_test
telnet 192.168.1.6
./btn_test
【9】总结
我们发现,这两个进程都可以打开这个设备文件,这样与我们的需求不符,我们希望在同一时刻,只能有一个进程访问这个设备文件。
两个进程属于竞争关系,都来抢设备文件这个资源,如何做到同一时刻只能一个进程对设备文件进行访问?(竞态)
3、全局变量
vim single_btn.c
#include <linux/init.h> #include <linux/module.h> #include <linux/cdev.h> #include <linux/fs.h> #include <linux/device.h>#define ON 1 #define OFF 0MODULE_LICENSE("GPL");//[2]定义全局变量----设备号 dev_t dev; //[4]定义全局变量----cdev对象 struct cdev btn_cdev; //[7]定义全局指针----class类 struct class *btn_cls = NULL;int btn_switch = OFF;//[d]按照原型实现btn_open int btn_open(struct inode *inode, struct file *fp) {printk("<0>" "enter : %s\n", __func__);if (OFF == btn_switch)btn_switch = ON;elsereturn -EAGAIN;return 0; }//[e]按照原型实现btn_close int btn_close(struct inode *inode, struct file *fp) {printk("<0>" "enter : %s\n", __func__);if (ON == btn_switch)btn_switch = OFF;elsereturn -EAGAIN;return 0; }//[c]定义全局变量---操作函数集合 struct file_operations btn_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = btn_open,.release = btn_close };int __init btn_drv_init(void) {//[1]申请设备号alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, "btn");//[3]初始化 cdev 对象cdev_init(&btn_cdev, &btn_fops);//[5]注册 cdev 对象到内核中cdev_add(&btn_cdev, dev, 1);//[6]自动创建设备文件(创建树枝)btn_cls = class_create(THIS_MODULE, "mybuttons");//(创建果实)device_create(btn_cls, NULL, dev, NULL, "buttons");return 0; }void __exit btn_drv_exit(void) {//[8]销毁设备文件(销毁果实)device_destroy(btn_cls, dev);//[9]销毁设备文件依赖的设备树(销毁树枝)class_destroy(btn_cls);//[a]注销 cdev 对象cdev_del(&btn_cdev);//[b]释放设备号unregister_chrdev_region(dev, 1);return ; }module_init(btn_drv_init); module_exit(btn_drv_exit);
注意:
由于cpu调度策略的不确定型,这种使用全局变量的方法解决竞态是不靠谱的。
4、竞态
1)简介
竞态就是竞争的状态,竞争的是共享资源,在硬件设备的角度说,所谓的共享资源指的是:UART、LCD、声卡、网卡
2)临界区
访问共享资源的代码就是临界区
3)产生竞态的原因
【1】多核处理器
【2】多任务之间的抢占
【3】中断和任务之间的抢占
【4】中断和中断之间的抢占(中断优先级,优先级编号越小,优先级越高)
4)解决竞态的策略
【1】中断屏蔽
【2】原子操作
位原子操作
整型原子操作
【3】自旋锁
【4】信号量
5)中断屏蔽
可以解决【2】【3】【4】产生竞态的原因
【1】中断操作
local_irq_enable() // 中断使能
local_irq_disable() // 中断失能
【2】执行代码
在中断失能和中断使能之间执行临界区的资源
注意:
关中断的时间要特别的短,一但过长,内核将直接崩溃,因为Linux内核中有很多重要的机制是靠中断实现的。写驱动时,不建议用这种方式。
6)原子操作
原子操作是不可分割的,要么都执行,要么不执行。在执行完毕之前不会被任何其他的任务或事件中断。
【1】位原子操作
static inline void set_bit(int nr, volatile unsigned long *addr)
static inline void clear_bit(int nr, volatile unsigned long *addr)
static inline int test_and_set_bit(int nr, volatile unsigned long *addr)
static inline int test_and_clear_bit(int nr, volatile unsigned long *addr)
static inline void change_bit(int nr, volatile unsigned long *addr)
【2】整型原子操作
atomic_t // 整型原子结构体
static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v) // 给整型原子变量 + i
static inline void atomic_sub(int i, atomic_t *v) // 给整型原子变量 - i
static inline void atomic_inc(atomic_t *v) // 给整型原子变量 + 1
static inline void atomic_dec(atomic_t *v) // 给整型原子变量 - 1
【3】实验
vim single_btn.c
#include <linux/init.h> #include <linux/module.h> #include <linux/cdev.h> #include <linux/fs.h> #include <linux/device.h>#define ON 1 #define OFF 0MODULE_LICENSE("GPL");//[2]定义全局变量----设备号 dev_t dev; //[4]定义全局变量----cdev对象 struct cdev btn_cdev; //[7]定义全局指针----class类 struct class *btn_cls = NULL;// define global variable //int btn_switch = OFF; // define int atomic_t variable atomic_t btn_tv;//[d]按照原型实现btn_open int btn_open(struct inode *inode, struct file *fp) {printk("<0>" "enter : %s\n", __func__); #if 0if (OFF == btn_switch)btn_switch = ON;elsereturn -EAGAIN; #elseif (!atomic_dec_and_test(&btn_tv)) {atomic_inc(&btn_tv);return -EAGAIN;} #endifreturn 0; }//[e]按照原型实现btn_close int btn_close(struct inode *inode, struct file *fp) {printk("<0>" "enter : %s\n", __func__); #if 0if (ON == btn_switch)btn_switch = OFF;elsereturn -EAGAIN; #elseatomic_inc(&btn_tv); #endifreturn 0; }//[c]定义全局变量---操作函数集合 struct file_operations btn_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = btn_open,.release = btn_close };int __init btn_drv_init(void) {//[1]申请设备号alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, "btn");//[3]初始化 cdev 对象cdev_init(&btn_cdev, &btn_fops);//[5]注册 cdev 对象到内核中cdev_add(&btn_cdev, dev, 1);//[6]自动创建设备文件(创建树枝)btn_cls = class_create(THIS_MODULE, "mybuttons");//(创建果实)device_create(btn_cls, NULL, dev, NULL, "buttons");// initialize int atomic_t variableatomic_set(&btn_tv, 1);return 0; }void __exit btn_drv_exit(void) {//[8]销毁设备文件(销毁果实)device_destroy(btn_cls, dev);//[9]销毁设备文件依赖的设备树(销毁树枝)class_destroy(btn_cls);//[a]注销 cdev 对象cdev_del(&btn_cdev);//[b]释放设备号unregister_chrdev_region(dev, 1);return ; }module_init(btn_drv_init); module_exit(btn_drv_exit);
当上位机对btn设备文件访问完毕时
注意:
由于对整型变量的操作都是原子化的,所以这种方案是可行的
7)自旋锁
【1】核心数据结构
spinlock_t
【2】使用方法
1】获取自旋锁
2】执行临界区代码,访问共享资源
3】释放自旋锁
【3】特点
1】自旋锁只有一个持有单元
2】若试图获取一个已经被其它执行单元持有的自旋锁,将会阻塞等待,直到原持有方释放自旋锁。
【4】使用步骤
【1】定义变量
spinlock_t btn_lock;
【2】初始化
spin_lock_init(_lock)
【3】获取锁
static inline void spin_lock(spinlock_t *lock)
【4】释放自旋锁
static inline void spin_unlock(spinlock_t *lock)
【5】实验
vim single_btn.c
#include <linux/init.h> #include <linux/module.h> #include <linux/cdev.h> #include <linux/fs.h> #include <linux/device.h>#define ON 1 #define OFF 0// controller the different ways though to define value //#define ATOMIC #define SPINLOCKMODULE_LICENSE("GPL");//[2]定义全局变量----设备号 dev_t dev; //[4]定义全局变量----cdev对象 struct cdev btn_cdev; //[7]定义全局指针----class类 struct class *btn_cls = NULL;#if defined(ATOMC) // define int atomic_t variable atomic_t btn_tv; #elif defined(SPINLOCK) // define global variable the sources of compare int btn_switch = OFF; // define the reverse lock struct spinlock btn_lock; #endif//[d]按照原型实现btn_open int btn_open(struct inode *inode, struct file *fp) {printk("<0>" "enter : %s\n", __func__); #if defined(SPINLOCK)if (OFF == btn_switch) {spin_lock(&btn_lock);btn_switch = ON;spin_unlock(&btn_lock);}elsereturn -EAGAIN;#elif defined(ATOMIC)if (!atomic_dec_and_test(&btn_tv)) {atomic_inc(&btn_tv);return -EAGAIN;} #endifreturn 0; }//[e]按照原型实现btn_close int btn_close(struct inode *inode, struct file *fp) {printk("<0>" "enter : %s\n", __func__); #if defined(SPINLOCK)spin_lock(&btn_lock);btn_switch = OFF;spin_unlock(&btn_lock); #elif defined(ATOMIC)atomic_inc(&btn_tv); #endifreturn 0; }//[c]定义全局变量---操作函数集合 struct file_operations btn_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = btn_open,.release = btn_close };int __init btn_drv_init(void) {//[1]申请设备号alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, "btn");//[3]初始化 cdev 对象cdev_init(&btn_cdev, &btn_fops);//[5]注册 cdev 对象到内核中cdev_add(&btn_cdev, dev, 1);//[6]自动创建设备文件(创建树枝)btn_cls = class_create(THIS_MODULE, "mybuttons");//(创建果实)device_create(btn_cls, NULL, dev, NULL, "buttons"); #if defined(ATOMIC)// initialize int atomic_t variableatomic_set(&btn_tv, 1); #elif defined(SPINLOCK)// initialize reverse lock variablespin_lock_init(&btn_lock); #endifreturn 0; }void __exit btn_drv_exit(void) {//[8]销毁设备文件(销毁果实)device_destroy(btn_cls, dev);//[9]销毁设备文件依赖的设备树(销毁树枝)class_destroy(btn_cls);//[a]注销 cdev 对象cdev_del(&btn_cdev);//[b]释放设备号unregister_chrdev_region(dev, 1);return ; }module_init(btn_drv_init); module_exit(btn_drv_exit);
注意:
1】持有自旋锁的事件要尽量短,临界区中不应该出现引起阻塞或休眠的函数
会导致内核吐核
2】避免死锁情况的发生
static inline int spin_trylock(spinlock_t *lock) // 获取不成功,返回错误
8)信号量
当临界区的代码需要长时间执行时,我们可以使用信号量机制
【1】核心数据结构
struct semaphore
【2】使用方法
1】获取信号量
2】执行临界区代码,访问共享资源
3】释放信号量
【3】特点
1】信号量可以持有多个单元
2】获取信号量的本质就是引用计数 - 1(count--)
3】释放信号量的本质就是引用计数 + 1(count++)
4】最小减到0,如果到0了,再去获取信号量会失败,睡眠等待
【4】使用步骤
【1】定义信号量
struct semaphore btn_sem;
【2】初始化
static inline void sema_init(struct semaphore *sem, int val)
【3】获取信号量
1】void down(struct semaphore *sem)
2】int down_interruptible(struct semaphore *sem)
3】int down_killable(struct semaphore *sem)
【4】释放信号量
void up(struct semaphore *sem)
【5】实验
vim single_btn.c
#include <linux/init.h> #include <linux/module.h> #include <linux/cdev.h> #include <linux/fs.h> #include <linux/device.h> #include <linux/delay.h>// only one sources #define SOURCE_NUM 1 #define ON 1 #define OFF 0// controller the different ways though to define value //#define ATOMIC //#define SPINLOCK #define SEMAPHOREtypedef int source_t;MODULE_LICENSE("GPL");//[2]定义全局变量----设备号 dev_t dev; //[4]定义全局变量----cdev对象 struct cdev btn_cdev; //[7]定义全局指针----class类 struct class *btn_cls = NULL;#if defined(ATOMC) // define int atomic_t variable atomic_t btn_tv; #elif defined(SPINLOCK) // define global variable the sources of compare int btn_switch = OFF; // define the reverse lock struct spinlock btn_lock; #elif defined(SEMAPHORE) // define global variable the sources of compare source_t src_num = SOURCE_NUM; // define the semaphore struct semaphore btn_sem; #endif//[d]按照原型实现btn_open int btn_open(struct inode *inode, struct file *fp) {printk("<0>" "enter : %s\n", __func__); #if defined(SEMAPHORE)down(&btn_sem);mdelay(6000); // delay 6sif (!src_num--) {src_num++;up(&btn_sem);return -EAGAIN;}up(&btn_sem);#elif defined(SPINLOCK)if (OFF == btn_switch) {spin_lock(&btn_lock);msleep(100);btn_switch = ON;spin_unlock(&btn_lock);}elsereturn -EAGAIN;#elif defined(ATOMIC)if (!atomic_dec_and_test(&btn_tv)) {atomic_inc(&btn_tv);return -EAGAIN;} #endifreturn 0; }//[e]按照原型实现btn_close int btn_close(struct inode *inode, struct file *fp) {printk("<0>" "enter : %s\n", __func__); #if defined(SEMAPHORE)up(&btn_sem);src_num++; #elif defined(SPINLOCK)spin_lock(&btn_lock);btn_switch = OFF;spin_unlock(&btn_lock); #elif defined(ATOMIC)atomic_inc(&btn_tv); #endifreturn 0; }//[c]定义全局变量---操作函数集合 struct file_operations btn_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = btn_open,.release = btn_close };int __init btn_drv_init(void) {//[1]申请设备号alloc_chrdev_region(&dev, 0, 1, "btn");//[3]初始化 cdev 对象cdev_init(&btn_cdev, &btn_fops);//[5]注册 cdev 对象到内核中cdev_add(&btn_cdev, dev, 1);//[6]自动创建设备文件(创建树枝)btn_cls = class_create(THIS_MODULE, "mybuttons");//(创建果实)device_create(btn_cls, NULL, dev, NULL, "buttons"); #if defined(SEMAPHORE)// initialize semaphore variablesema_init(&btn_sem, 1); #elif defined(ATOMIC)// initialize int atomic_t variableatomic_set(&btn_tv, 1); #elif defined(SPINLOCK)// initialize reverse lock variablespin_lock_init(&btn_lock); #endifreturn 0; }void __exit btn_drv_exit(void) {//[8]销毁设备文件(销毁果实)device_destroy(btn_cls, dev);//[9]销毁设备文件依赖的设备树(销毁树枝)class_destroy(btn_cls);//[a]注销 cdev 对象cdev_del(&btn_cdev);//[b]释放设备号unregister_chrdev_region(dev, 1);return ; }module_init(btn_drv_init); module_exit(btn_drv_exit);
9)区别
在解决竞态问题时:
【1】信号量保护的临界区对执行的时间的长短没有要求
自旋锁保护的临界区要求执行速度尽量快
执行时间一旦过长,造成另外一个进程获取锁不成功,内核就会崩溃
此外,多核系统时,自旋锁原地自旋,系统性能下降
【2】获取信号量不成功,进程睡眠等待
获取自旋锁不成功,进程原地自旋