设备驱动中的阻塞与非阻塞I/O----globalfifo驱动

本文介绍了一个字符设备驱动程序globalfifo的例子,解释了阻塞与非阻塞I/O的概念及其在Linux设备驱动中的实现。通过具体的代码示例,展示了如何使用信号量、等待队列和poll机制来实现这两种I/O模式。
设备驱动中的阻塞与非阻塞I/O----globalfifo驱动
2008-10-19 19:32
/********************************************************************
    A globalfifo driver as an example of char device drivers
    This example is to introduce poll,blocking and non-blocking access
     
    The initial developer of the original code is Baohua Song
    <author@linuxdriver.cn>. All Rights Reserved.
*********************************************************************/
#include <linux/module.h>
#include <linux/types.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/mm.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/system.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/poll.h>

#define GLOBALFIFO_SIZE    0x1000    /*全局fifo最大4K字节*/
#define FIFO_CLEAR 0x1 /*清0全局内存的长度*/
#define GLOBALFIFO_MAJOR 253    /*预设的globalfifo的主设备号*/

static int globalfifo_major = GLOBALFIFO_MAJOR;
/*globalfifo设备结构体*/
struct globalfifo_dev                                    
{                                                       
struct cdev cdev; /*cdev结构体*/                      
unsigned int current_len;    /*fifo有效数据长度*/
unsigned char mem[GLOBALFIFO_SIZE]; /*全局内存*/       
struct semaphore sem; /*并发控制用的信号量*/          
wait_queue_head_t r_wait; /*阻塞读用的等待队列头*/    
wait_queue_head_t w_wait; /*阻塞写用的等待队列头*/    
};

struct globalfifo_dev *globalfifo_devp; /*设备结构体指针*/
/*文件打开函数*/
int globalfifo_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
/*将设备结构体指针赋值给文件私有数据指针*/
filp->private_data = globalfifo_devp;
return 0;
}
/*文件释放函数*/
int globalfifo_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}

/* ioctl设备控制函数 */
static int globalfifo_ioctl(struct inode *inodep, struct file *filp, unsigned
int cmd, unsigned long arg)
{
struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data;/*获得设备结构体指针*/

switch (cmd)
{
    case FIFO_CLEAR:
        down(&dev->sem); //获得信号量       
      dev->current_len = 0;
      memset(dev->mem,0,GLOBALFIFO_SIZE);
      up(&dev->sem); //释放信号量
        
      printk(KERN_INFO "globalfifo is set to zero/n");     
      break;

    default:
      return - EINVAL;
}
return 0;
}

static unsigned int globalfifo_poll(struct file *filp, poll_table *wait)
{
unsigned int mask = 0;
struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/

down(&dev->sem);

poll_wait(filp, &dev->r_wait, wait);
poll_wait(filp, &dev->w_wait, wait);
/*fifo非空*/
if (dev->current_len != 0)
{
    mask |= POLLIN | POLLRDNORM; /*标示数据可获得*/
}
/*fifo非满*/
if (dev->current_len != GLOBALFIFO_SIZE)
{
    mask |= POLLOUT | POLLWRNORM; /*标示数据可写入*/
}
    
up(&dev->sem);
return mask;
}


/*globalfifo读函数*/
static ssize_t globalfifo_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count,
loff_t *ppos)
{
int ret;
struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data; //获得设备结构体指针
DECLARE_WAITQUEUE(wait, current); //定义等待队列

down(&dev->sem); //获得信号量
add_wait_queue(&dev->r_wait, &wait); //进入读等待队列头

/* 等待FIFO非空 */
while (dev->current_len == 0)
{
    if (filp->f_flags &O_NONBLOCK)
    {
      ret = - EAGAIN;
      goto out;
    }
    __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); //改变进程状态为睡眠
    up(&dev->sem);

    schedule(); //调度其他进程执行
    if (signal_pending(current))
    //如果是因为信号唤醒
    {
      ret = - ERESTARTSYS;
      goto out2;
    }

    down(&dev->sem);
}

/* 拷贝到用户空间 */
if (count > dev->current_len)
    count = dev->current_len;

if (copy_to_user(buf, dev->mem, count))
{
    ret = - EFAULT;
    goto out;
}
else
{
    memcpy(dev->mem, dev->mem + count, dev->current_len - count); //fifo数据前移
    dev->current_len -= count; //有效数据长度减少
    printk(KERN_INFO "read %d bytes(s),current_len:%d/n", count, dev->current_len);
    
    wake_up_interruptible(&dev->w_wait); //唤醒写等待队列
   
    ret = count;
}
out: up(&dev->sem); //释放信号量
out2:remove_wait_queue(&dev->w_wait, &wait); //从附属的等待队列头移除
set_current_state(TASK_RUNNING);
return ret;
}


/*globalfifo写操作*/
static ssize_t globalfifo_write(struct file *filp, const char __user *buf,
size_t count, loff_t *ppos)
{
struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data; //获得设备结构体指针
int ret;
DECLARE_WAITQUEUE(wait, current); //定义等待队列

down(&dev->sem); //获取信号量
add_wait_queue(&dev->w_wait, &wait); //进入写等待队列头

/* 等待FIFO非满 */
while (dev->current_len == GLOBALFIFO_SIZE)
{
    if (filp->f_flags &O_NONBLOCK)
    //如果是非阻塞访问
    {
      ret = - EAGAIN;
      goto out;
    }
    __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); //改变进程状态为睡眠
    up(&dev->sem);

    schedule(); //调度其他进程执行
    if (signal_pending(current))
    //如果是因为信号唤醒
    {
      ret = - ERESTARTSYS;
      goto out2;
    }

    down(&dev->sem); //获得信号量
}

/*从用户空间拷贝到内核空间*/
if (count > GLOBALFIFO_SIZE - dev->current_len)
    count = GLOBALFIFO_SIZE - dev->current_len;

if (copy_from_user(dev->mem + dev->current_len, buf, count))
{
    ret = - EFAULT;
    goto out;
}
else
{
    dev->current_len += count;
    printk(KERN_INFO "written %d bytes(s),current_len:%d/n", count, dev
      ->current_len);

    wake_up_interruptible(&dev->r_wait); //唤醒读等待队列
   
    ret = count;
}

out: up(&dev->sem); //释放信号量
out2:remove_wait_queue(&dev->w_wait, &wait); //从附属的等待队列头移除
set_current_state(TASK_RUNNING);
return ret;
}


/*文件操作结构体*/
static const struct file_operations globalfifo_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.read = globalfifo_read,
.write = globalfifo_write,
.ioctl = globalfifo_ioctl,
.poll = globalfifo_poll,
.open = globalfifo_open,
.release = globalfifo_release,
};

/*初始化并注册cdev*/
static void globalfifo_setup_cdev(struct globalfifo_dev *dev, int index)
{
int err, devno = MKDEV(globalfifo_major, index);

cdev_init(&dev->cdev, &globalfifo_fops);
dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
dev->cdev.ops = &globalfifo_fops;
err = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1);
if (err)
    printk(KERN_NOTICE "Error %d adding LED%d", err, index);
}

/*设备驱动模块加载函数*/
int globalfifo_init(void)
{
int ret;
dev_t devno = MKDEV(globalfifo_major, 0);

/* 申请设备号*/
if (globalfifo_major)
    ret = register_chrdev_region(devno, 1, "globalfifo");
else /* 动态申请设备号 */
{
    ret = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "globalfifo");
    globalfifo_major = MAJOR(devno);
}
if (ret < 0)
    return ret;
/* 动态申请设备结构体的内存*/
globalfifo_devp = kmalloc(sizeof(struct globalfifo_dev), GFP_KERNEL);
if (!globalfifo_devp)    /*申请失败*/
{
    ret = - ENOMEM;
    goto fail_malloc;
}

memset(globalfifo_devp, 0, sizeof(struct globalfifo_dev));

globalfifo_setup_cdev(globalfifo_devp, 0);

init_MUTEX(&globalfifo_devp->sem);   /*初始化信号量*/
init_waitqueue_head(&globalfifo_devp->r_wait); /*初始化读等待队列头*/
init_waitqueue_head(&globalfifo_devp->w_wait); /*初始化写等待队列头*/

return 0;

fail_malloc: unregister_chrdev_region(devno, 1);
return ret;
}


/*模块卸载函数*/
void globalfifo_exit(void)
{
cdev_del(&globalfifo_devp->cdev);   /*注销cdev*/
kfree(globalfifo_devp);     /*释放设备结构体内存*/
unregister_chrdev_region(MKDEV(globalfifo_major, 0), 1); /*释放设备号*/
}

MODULE_AUTHOR("Song Baohua");
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");

module_param(globalfifo_major, int, S_IRUGO);

module_init(globalfifo_init);
module_exit(globalfifo_exit);

验证读写:
启动两个进程
cat /dev/globalfifo&后台执行
echo 'Test ' /dev/globalfifo 前台执行
每当echo写入一串数据,cat进程就立即把数据显示出来

验证轮询:
/*======================================================================
    A test program in userspace  
    This example is to introduce the ways to use "select"
     and driver poll                
     
    The initial developer of the original code is Baohua Song
    <author@linuxdriver.cn>. All Rights Reserved.
======================================================================*/
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <stdio.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/time.h>

#define FIFO_CLEAR 0x1
#define BUFFER_LEN 20
main()
{
int fd, num;
char rd_ch[BUFFER_LEN];
fd_set rfds,wfds;

/*以非阻塞方式打开/dev/globalmem设备文件*/
fd = open("/dev/globalfifo", O_RDONLY | O_NONBLOCK);
if (fd != - 1)
{
    /*FIFO清0*/
    if (ioctl(fd, FIFO_CLEAR, 0) < 0)
    {
      printf("ioctl command failed/n");
    }
    while (1)
    {
      FD_ZERO(&rfds);
      FD_ZERO(&wfds);
      FD_SET(fd, &rfds);//FD_SET将一个文件描述符加入文件描述符集合中
      FD_SET(fd, &wfds);

      select(fd + 1, &rfds, &wfds, NULL, NULL);
      /*数据可获得*/
      if (FD_ISSET(fd, &rfds))
      {
          printf("Poll monitor:can be read/n");
      }
      /*数据可写入*/
      if (FD_ISSET(fd, &wfds))
      {
          printf("Poll monitor:can be written/n");
      }     
    }
}
else
{
    printf("Device open failure/n");
}
}
FIFO为空时不断的输出can be write
echo写入一些数据时输出can be read and can be write.写满后只输出can be read
需求响应动态冰蓄冷系统与需求响应策略的优化研究(Matlab代码实现)内容概要:本文围绕“需求响应动态冰蓄冷系统与需求响应策略的优化研究”展开,基于Matlab代码实现,重点探讨了冰蓄冷系统在电力需求响应背景下的动态建模与优化调度策略。研究结合实际电力负荷与电价信号,构建系统能耗模型,利用优化算法对冰蓄冷系统的运行策略进行求解,旨在降低用电成本、平衡电网负荷,并提升能源利用效率。文中还提及该研究为博士论文复现,涉及系统建模、优化算法应用与仿真验证等关键技术环节,配套提供了完整的Matlab代码资源。; 适合人群:具备一定电力系统、能源管理或优化算法基础,从事科研或工程应用的研究生、高校教师及企业研发人员,尤其适合开展需求响应、综合能源系统优化等相关课题研究的人员。; 使用场景及目标:①复现博士论文中的冰蓄冷系统需求响应优化模型;②学习Matlab在能源系统建模与优化中的具体实现方法;③掌握需求响应策略的设计思路与仿真验证流程,服务于科研项目、论文写作或实际工程方案设计。; 阅读建议:建议结合提供的Matlab代码逐模块分析,重点关注系统建模逻辑与优化算法的实现细节,按文档目录顺序系统学习,并尝试调整参数进行仿真对比,以深入理解不同需求响应策略的效果差异。
综合能源系统零碳优化调度研究(Matlab代码实现)内容概要:本文围绕“综合能源系统零碳优化调度研究”,提供了基于Matlab代码实现的完整解决方案,重点探讨了在高比例可再生能源接入背景下,如何通过优化调度实现零碳排放目标。文中涉及多种先进优化算法(如改进遗传算法、粒子群优化、ADMM等)在综合能源系统中的应用,涵盖风光场景生成、储能配置、需求响应、微电网协同调度等多个关键技术环节,并结合具体案例(如压缩空气储能、光热电站、P2G技术等)进行建模与仿真分析,展示了从问题建模、算法设计到结果验证的全流程实现过程。; 适合人群:具备一定电力系统、能源系统或优化理论基础,熟悉Matlab/Simulink编程,从事新能源、智能电网、综合能源系统等相关领域研究的研究生、科研人员及工程技术人员。; 使用场景及目标:①开展综合能源系统低碳/零碳调度的科研建模与算法开发;②复现高水平期刊(如SCI/EI)论文中的优化模型与仿真结果;③学习如何将智能优化算法(如遗传算法、灰狼优化、ADMM等)应用于实际能源系统调度问题;④掌握Matlab在能源系统仿真与优化中的典型应用方法。; 阅读建议:建议结合文中提供的Matlab代码与网盘资源,边学习理论模型边动手调试程序,重点关注不同优化算法在调度模型中的实现细节与参数设置,同时可扩展应用于自身研究课题中,提升科研效率与模型精度。
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