IMX6ULL嵌入式Linux驱动学习笔记（十）

IMX6ULL嵌入式Linux驱动开发学习
以下内容是我在学习正点原子IMX6ULL开发板alpha中记录的笔记，部分摘录自正点原子IMX6ULL开发手册。

一、Linux阻塞和非阻塞IO

1.1 阻塞和非阻塞简介

这里的 IO 指的是 Input/Output，也就是输入/输出，是应用程序对驱动设备的输入/输出操作。当应用程序对设备驱动进行操作的时候，如果不能获取到设备资源，那么阻塞式 IO 就会将应用程序对应的线程挂起，直到设备资源可以获取为止。对于非阻塞 IO，应用程序对应的线程不会挂起，它要么一直轮询等待，直到设备资源可以使用，要么就直接放弃。

• 阻塞式IO：

  当资源不可用时，应用程序就会挂起。当资源可用的时候，唤醒任务。应用程序使用open打开驱动文件，默认是阻塞方式打开。

  阻塞式IO访问示意图：

  

• 非阻塞式IO：

  当资源不可用的时候，应用程序轮询查看，或放弃。会有超时处理。应用程序如果想在使用open打开驱动文件时使用非阻塞的方式打开，需要使用O_NONBLOCK。

  非阻塞式IO访问示意图：

  

1.2 等待队列（阻塞访问）

1. 等待队列头

   阻塞访问最大的好处就是当设备文件不可操作的时候进程可以进入休眠态，这样可以将CPU 资源让出来。但是，当设备文件可以操作的时候就必须唤醒进程，一般在中断函数里面完成唤醒工作。 Linux内核提供了等待队列(wait queue)来实现阻塞进程的唤醒工作，如果我们要在驱动中使用等待队列，必须创建并初始化一个等待队列头，等待队列头使用结构体wait_queue_head_t 表示：

   struct __wait_queue_head {
        
        
       spinlock_t lock;
       struct list_head task_list;
   };
   typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;
   

   定义好等待队列头以后需要初始化，使用 init_waitqueue_head 函数初始化等待队列头，函数原型如下：

   /**
    * @param q 等待队列头
    */
   void init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q)
   

   也可以使用宏 DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD 来一次性完成等待队列头的定义和初始化。

2. 等待队列项

   等待队列头就是一个等待队列的头部，每个访问设备的进程都是一个队列项，当设备不可用的时候就要将这些进程对应的等待队列项添加到等待队列里面。结构体 wait_queue_t 表示等待队列项。

   struct __wait_queue {
        
        
       unsigned int flags;
       void *private;
       wait_queue_func_t func;
       struct list_head task_list;
   };
   typedef struct __wait_queue wait_queue_t;
   

   同样可以使用宏 DECLARE_WAITQUEUE 定义并初始化一个等待队列项。

   /**
    * @param name 等待队列项的名字
    * @param tsk 表示该等待队列项属于哪个任务（进程），一般为 current
    */
   DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk)
   

3. 添加/移除等待队列项

   当设备不可访问的时候就需要将进程对应的等待队列项添加到前面创建的等待队列头中，只有添加到等待队列头中以后进程才能进入休眠态。当设备可以访问以后再将进程对应的等待队列项从等待队列头中移除即可。

   /**
    * @brief 添加等待队列项到等待队列头
    * @param q 等待队列头
    * @param wait 等待队列项
    */
   void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q,wait_queue_t *wait);
   
   /**
    * @brief 将等待队列项从等待队列头中移除
    * @param q 等待队列头
    * @param wait 等待队列项
    */
   void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q,wait_queue_t *wait)
   

4. 等待唤醒

   当设备可以使用的时候就要唤醒进入休眠态的进程，唤醒可以使用如下两个函数。

   /**
    * @brief 唤醒等待队列头下所有的进程
    * @param q 要唤醒的等待队列头
    */
   void wake_up(wait_queue_head_t *q);
   void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *q);
   

   wake_up 函数可以唤醒处于 TASK_INTERRUPTIBLE 和 TASK_UNINTERRUPTIBLE 状态的进程，而 wake_up_interruptible 函数只能唤醒处于 TASK_INTERRUPTIBLE 状态的进程。

5. 等待事件

   除了主动唤醒以外，也可以设置等待队列等待某个事件，当这个事件满足以后就自动唤醒等待队列中的进程，和等待事件有关的API函数如下。

   函数	描述
   wait_event(wq, condition)	等待以 wq 为等待队列头的等待队列被唤醒，前提是 condition 条件必须满足(为真)，否则一直阻塞。此 函 数 会 将 进 程 设 置 为TASK_UNINTERRUPTIBLE 状态。
   wait_event_timeout(wq, condition, timeout)	功能和 wait_event 类似，但是此函数可以添加超时时间，以 jiffies 为单位。此函数有返回值，如果返回 0 的话表示超时时间到，而且 condition 为假。为 1 的话表示 condition 为真，也就是条件满足了。
   wait_event_interruptible(wq, condition)	与 wait_event 函数类似，但是此函数将进程设置为TASK_INTERRUPTIBLE，就是可以被信号打断。
   wait_event_interruptible_timeout(wq,condition, timeout)	与 wait_event_timeout 函数类似，此函数也将进 程设置为TASK_INTERRUPTIBLE，可以被信号打断。

1.3 轮询（非阻塞访问）

如果用户应用程序以非阻塞的方式访问设备，设备驱动程序就要提供非阻塞的处理方式，也就是轮询。 poll、 epoll 和 select 可以用于处理轮询，应用程序通过 select、 epoll 或 poll 函数来查询设备是否可以操作，如果可以操作的话就从设备读取或者向设备写入数据。

当应用程序调用 select、 epoll 或 poll 函数的时候，设备驱动程序中的 poll 函数就会执行，因此需要在设备驱动程序中编写 poll 函数。

驱动里poll函数原型如下。

/**
 * @param filp 要打开的设备文件（文件描述符）
 * @param wait 结构体 poll_table_struct 类型指针，由应用程序传递进来。一般将此参数传递给 poll_wait 函数。
 * @return 向应用程序返回设备或者资源状态。
 */
unsigned int (*poll)(struct file *filp, struct poll_table_struct *wait);

/* return 可以返回的资源状态 */
POLLIN 			// 有数据可以读取。
POLLPRI 		// 有紧急的数据需要读取。
POLLOUT 		// 可以写数据。
POLLERR			// 指定的文件描述符发生错误。
POLLHUP			// 指定的文件描述符挂起。
POLLNVAL		// 无效的请求。
POLLRDNORM		// 等同于 POLLIN，普通数据可读

需要在驱动程序的 poll 函数中调用 poll_wait 函数， poll_wait 函数不会引起阻塞，只是将应用程序添加到 poll_table 中。

/**
 * @param filp 文件描述符
 * @param wait_address 要添加到 poll_table 中的等待队列头
 * @param p poll_table，就是file_operations 中 poll 函数的 wait 参数
 */
void poll_wait(struct file *filp, wait_queue_head_t *wait_address, poll_table *p)

1. select函数

   /**
   * @param nfds 所要监视的这三类文件描述集合中，最大文件描述符加1。
   * @param readfds 监视指定描述符集的读变化，也就是监视文件是否可读
   * @param writefds 监视文件是否可以进行写操作
   * @param exceptfds 监视这些文件的异常
   * @param timeout 超时时间，为 NULL 的时候就表示无限期的等待。
   * @return 0，表示的话就表示超时发生，但是没有任何文件描述符可以进行操作；-1，发生错误；其他值，可以进行操作的文件描述符个数。
   */
   int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, 
             fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
   
   /* timeval结构体 */
   struct timeval {
         
         
      long tv_sec; 	/* 秒 */
      long tv_usec; 	/* 微妙 */
   };
   

   比如现在要从一个设备文件中读取数据，那么就可以定义一个 fd_set 变量，这个变量要传递给参数 readfds。当我们定义好一个 fd_set 变量以后可以使用如下所示几个宏进行操作

   void FD_ZERO(fd_set *set);
   void FD_SET(int fd, fd_set *set);
   void FD_CLR(int fd, fd_set *set);
   int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);
   

   FD_ZERO 用于将 fd_set 变量的所有位都清零， FD_SET 用于将 fd_set 变量的某个位置 1，也就是向 fd_set 添加一个文件描述符，参数 fd 就是要加入的文件描述符。FD_CLR 用于将fd_set变量的某个位清零，也就是将一个文件描述符从 fd_set中删除，参数 fd 就是要删除的文件描述符。 FD_ISSET 用于测试一个文件是否属于某个集合，参数 fd 就是要判断的文件描述符。

   使用 select 函数对某个设备驱动文件进行读非阻塞访问的操作示例如下

   void main(void)
   {
         
         
      int ret, fd; 				/* 要监视的文件描述符 */
      fd_set readfds; 				/* 读操作文件描述符集 */
      struct timeval timeout;		/* 超时结构体 */
   
      fd = open("dev_xxx", O_RDWR | O_NONBLOCK); /* 非阻塞式访问 */
   
      FD_ZERO(&readfds); 		/* 清除 readfds */
      FD_SET(fd, &readfds); 	/* 将 fd 添加到 readfds 里面 */
   
      /* 构造超时时间 */
      timeout.tv_sec = 0;
      timeout.tv_usec = 500000; /* 500ms */
   
      ret = select(fd + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout);
      switch (ret) {
         
         
          case 0: 		/* 超时 */
              printf("timeout!\r\n");
              break;
          case -1: 	/* 错误 */
              printf("error!\r\n");
              break;
          default: 	/* 可以读取数据 */
              if(FD_ISSET(fd, &readfds)) {
         
          /* 判断是否为 fd 文件描述符 */
              	/* 使用 read 函数读取数据 */
              }
              break;
      }
   }
   

2. poll函数

   在单个线程中， select 函数能够监视的文件描述符数量有最大的限制，一般为 1024，可以修改内核将监视的文件描述符数量改大，但是这样会降低效率！这个时候就可以使用 poll 函数， poll 函数本质上和 select 没有太大的差别，但是 poll 函数没有最大文件描述符限制。

   /**
    * @param fds 要监视的文件描述符集合以及要监视的事件,为一个数组
    * @param nfds poll函数要监视的文件描述符数量
    * @param timeout 超时时间，单位为 ms。
    * @return 返回 revents 域中不为 0 的 pollfd 结构体个数，也就是发生事件或错误的文件描述符数量；0，超时；-1，发生错误，并且设置 errno 为错误类型
    */
   int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);
   
   /* pollfd 结构体 */
   struct pollfd {
         
         
       int fd; 		/* 文件描述符 */
       short events; 	/* 请求的事件 */
       short revents; 	/* 返回的事件 */
   };
   

   pollfd 结构体中 fd 是要监视的文件描述符，如果 fd 无效的话那么 events 监视事件也就无效，并且 revents返回 0。 events是要监视的事件，可监视的事件类型如下所示， revents 是返回参数，也就是返回的事件， 由 Linux 内核设置具体的返回事件

   POLLIN 			/* 有数据可以读取。*/
   POLLPRI 		/* 有紧急的数据需要读取。 */
   POLLOUT 		/* 可以写数据。 */
   POLLERR 		/* 指定的文件描述符发生错误。 */
   POLLHUP 		/* 指定的文件描述符挂起。 */
   POLLNVAL 		/* 无效的请求。 */
   POLLRDNORM 		/* 等同于 POLLIN */
   

   使用 poll 函数对某个设备驱动文件进行读非阻塞访问的操作示例如下

   void main(void)
   {
         
         
       int ret;
       int fd;		/* 要监视的文件描述符 */
       struct pollfd fds;
   
       fd = open(filename, O_RDWR | O_NONBLOCK);	/* 非阻塞式访问 */
   
       /* 构造结构体 */
       fds.fd = fd;
       fds.events = POLLIN;		/* 监视数据是否可以读取 */
   
       ret = poll(&fds, 1, 500);	/* 轮询文件是否可操作，超时 500ms */
       if (ret) {
         
          				/* 数据有效 */
           ......
           /* 读取数据 */
           ......
       } else if (ret == 0) {
         
         	/* 超时 */
       	......
               
       } else if (ret < 0) {
         
         	/* 错误 */
       	......
               
       }
   }
   

3. epoll函数

   传统的 selcet 和 poll 函数都会随着所监听的 fd 数量的增加，出现效率低下的问题，而且 poll 函数每次必须遍历所有的描述符来检查就绪的描述符，这个过程很浪费时间。为此， epoll 应运而生， epoll 就是为处理大并发而准备的，一般常常在网络编程中使用 epoll 函数。应用程序需要先使用 epoll_create 函数创建一个 epoll 句柄。

   /**
    * @param size 从Linux2.6.8开始此参数已无意义，随便填写一个大于0的值即可。
    * @return epoll句柄，如果为-1的话表示创建失败。
    */
   int epoll_create(int size)；
   

   epoll 句柄创建成功以后使用 epoll_ctl 函数向其中添加要监视的文件描述符以及监视的事件。

   /**
    * @param epfd 要操作的epoll句柄，也就是使用epoll_create函数创建的epoll句柄。
    * @param op 表示要对 epfd(epoll 句柄)进行的操作。
    * @param fd 要监视的文件描述符。
    * @param event 要监视的事件类型。
    * @return 0，成功； -1，失败，并且设置 errno 的值为相应的错误码。
    */
   int epoll_ctl(int epfd, int op, int fd, struct epoll_event *event);
   
   /* op 可以选择的设置  */
   EPOLL_CTL_ADD // 向 epfd 添加文件参数 fd 表示的描述符。
   EPOLL_CTL_MOD // 修改参数 fd 的 event 事件。
   EPOLL_CTL_DEL // 从 epfd 中删除 fd 描述符。
   
   /* epoll_event 结构体 */
   struct epoll_event {
         
         
      uint32_t events;	/* epoll 事件 */
      epoll_data_t data;	/* 用户数据 */
   };
   

   结构体 epoll_event 的 events 成员变量表示要监视的事件，可选的事件如下，彼此之间可以进行或操作：

   EPOLLIN			// 有数据可以读取。
   EPOLLOUT		// 可以写数据。
   EPOLLPRI		// 有紧急的数据需要读取。
   EPOLLERR		// 指定的文件描述符发生错误。
   EPOLLHUP		// 指定的文件描述符挂起。
   EPOLLET			// 设置 epoll 为边沿触发，默认触发模式为水平触发。
   EPOLLONESHOT	// 一次性的监视，当监视完成以后还需要再次监视某个 fd，那么就需要将 fd 重新添加到 epoll 里面。
   

   一切都设置好以后应用程序就可以通过 epoll_wait 函数来等待事件的发生，类似 select 函数。

   /**
    * @param epfd 要等待的 epoll
    * @param events 指向 epoll_event 结构体的数组，当有事件发生的时候 Linux 内核会填写 events，调
   用者可以根据 events 判断发生了哪些事件。
    * @param maxevents events 数组大小，必须大于0
    * @param timeout 超时时间，单位为ms。
    * @return 0，超时；-1，错误；其他值，准备就绪的文件描述符数量。
    */
   int epoll_wait(int epfd, struct epoll_event *events, int maxevents, int timeout);
   

   epoll 更多的是用在大规模的并发服务器上，因为在这种场合下 select 和 poll 并不适合，当设计到的文件描述符(fd)比较少的时候就适合用 selcet 和 poll。

二、编写试验驱动

2.1 阻塞式访问驱动

1. 等待事件

#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_irq.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/jiffies.h>
#include <linux/string.h>
#include <linux/irq.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>


#define KEYIRQ_CNT			1
#define KEYIRQ_NAME			"keyirq"
#define KEY_NUM				1
#define KEY0_VALUE			0X01
#define INVAKEY				0XFF	/* 无效按键值 */

struct key_dev
{
   
   
	int gpio;								/* IO编号 */
	int irqNum;								/* 中断号 */
	unsigned char value;					/* 按键值 */
	char name[10];							/* 名称 */
	irqreturn_t (*handler)(int, void*);		/* 中断处理函数 */

	struct tasklet_struct tasklet;
};


/* 定义设备驱动结构体 */
struct keyirq_dev
{
   
   
	dev_t devid;						/* 设备ID */
	int major;							/* 主设备号 */
	int minor;							/* 次设备号 */
	struct cdev cdev;					/* 字符设备结构体 */
	struct class *class;				/* 设备类 */
	struct device *device;				/* 设备节点 */
	struct device_node *nd;				/* 设备树节点 */
	struct key_dev key[KEY_NUM];
	struct timer_list timer;			/* 定时器 */

	atomic_t keyValue;					/* 按键值 */
	atomic_t keyRelease;				/* 按键是否释放 */
	
	wait_queue_head_t r_wait;			/* 读等待队列头 */
};

struct keyirq_dev keyirq;		/* 定义一个keyirq设备 */

static int keyirq_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
   
   
	filp->private_data = &keyirq;
	
	return 0;
}	

static int keyirq_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
   
   
	struct keyirq_dev *dev = filp->private_data;
	
	return 0;
}

static ssize_t keyirq_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
   
   
	struct keyirq_dev *dev = filp->private_data;
	
	return 0;
}

static ssize_t keyirq_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
   
   
	struct keyirq_dev *dev = filp->private_data;
	int ret = 0;
	unsigned char keyValue;
	unsigned char keyRelease;

	/* 等待事件 */
	wait_event_interruptible(dev->r_wait, atomic_read(&dev->keyRelease));
	
	// NOTE:wait_event 不可以被信号打断，使用 kill -9 PID 无法杀掉任务
	// wait_event(dev->r_wait, atomic_read(&dev->keyRelease));		/* 等待按键值有效 */


	keyValue = atomic_read(&dev->keyValue);
	keyRelease = atomic_read(&dev->keyRelease);

	if (keyRelease)
	{