Part13：按键驱动程序的不同实现(查询/中断/poll/异步通知/同步互斥阻塞)

于 2020-04-24 21:38:28 发布
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分类专栏： ARM裸机基础编程
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Part13：按键驱动程序的不同实现->查询/中断/poll/异步通知/同步互斥阻塞

0 写在前面
part12文章是对ARM架构下Linux内核的异常(中断)处理体系结果的原理讲述，有了这些基本的认识后，下面根据不同实现方式
实现按键驱动程序的编写。
说明一点：下面的实现不会贴全部代码，代码可从https://blog.youkuaiyun.com/qq_42800075/article/details/105670841获取
1 按键驱动程序——查询

按键驱动程序：key_drv_polling.c

/* open函数用于配置4个引脚为输入 */
static int key_drv_open(struct inode* inode, struct file* file)
{
    /*配置GPF0,2-->s2,3 GPG3-->s4为输入引脚*/
    *pGPFCON &= ~((3<<0) | (3<<4));
    *pGPGCON &= ~((3<<6) | (3<<22));
    
    return 0;
}
/* read函数用于读取四个引脚状态 */
ssize_t key_drv_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
    unsigned char key_vals[4];
    int regval;
    
    regval = *pGPFDAT;
    key_vals[0] = (regval & (1<<0)) ? 1:0;
    key_vals[1] = (regval & (1<<2)) ? 1:0;
    
    regval = *pGPGDAT;
    key_vals[2] = (regval & (1<<3)) ? 1:0;
    key_vals[3] = (regval & (1<<11))? 1:0;
    
    /* 返回引脚状态 */
    copy_to_user(buf, key_vals, sizeof(key_vals));
    return sizeof(key_vals);
}

按键驱动测试函数：key_drv_ts.c

int main(void)
{
	int fd, val = 1;
	int cnt = 0;
	unsigned char key_val[4];
	fd = open("/dev/key_drv", O_RDWR);
	if(fd < 0)
		printf("can't open /dev/key_drv!\n");
	while(1)
	{
		 // 不断查询引脚是否按下
		 read(fd, key_val, sizeof(key_val));
		 // 其一引脚按下则打印按键值
		 if(!key_val[0] || !key_val[1] || !key_val[2] || !key_val[3])
		 	printf("%04d key pressed: %d %d %d %d\n", ++cnt, key_val[0],
		 		key_val[1], key_val[2], key_val[3]);
	}
	return 0;
}

查询方式实现的按键驱动程序编写简单，但缺点也很明显，霸占CPU资源

2 按键驱动程序——中断

为减少CPU资源的占用，可使用中断方式。对于中断编程，按Part12文章讲述的三步走：
1）注册中断处理函数
2）实现中断处理函数
3）卸载中断处理函数
下面的驱动程序按这三步实现，代码如下
按键驱动程序：key_drv_itr.c

// 1 通过 request_irq 注册中断处理函数 key_irq
//   注册时，设置对应的中断IRQ_EINT0/2/11/19  触发方式：双边沿触发 dev_name   dev_id
//   注册后，即将中断处理函数key_iqr添加到irq_desc[irqno]->action链表中
static int key_drv_open(struct inode* inode, struct file* file)
{
    request_irq(IRQ_EINT0,&key_irq,IRQT_BOTHEDGE,"s2",&pins_desc[0]);
    request_irq(IRQ_EINT2,&key_irq,IRQT_BOTHEDGE,"s3",&pins_desc[1]);
    request_irq(IRQ_EINT11,&key_irq,IRQT_BOTHEDGE,"s4",&pins_desc[2]);
    request_irq(IRQ_EINT19,&key_irq,IRQT_BOTHEDGE,"s5",&pins_desc[3]);
    return 0;
}
// 2 实现中断处理函数 key_irq
//   使用s3c2410_gpio_getpin获取引脚状态，如果按下，则设置全局变量key_val,
//   并再key_drv_read函数中返回给用户程序
static irqreturn_t key_irq(int irq, void *dev_id)
{
    struct pin_desc *p = (struct pin_desc*)dev_id;
    unsigned int pin_val;
    pin_val = s3c2410_gpio_getpin(p->pin);
    if(pin_val)
    {
        /* 松开 */
        key_val = 0x80 | p->key_val;
    }else
    {
        /* 按下 */
        key_val = p->key_val;
    }
    ev_press = 1;  // 表示中断发生了，如果ev_press=0，用户程序可会睡眠的
    wake_up_interruptible(&key_waitq); //唤醒key_waitq队列中的进程
}
// 3 卸载函数：根据dev_id删除 action链表中对应的节点
//   两个参数的用途：irq_desc[IRQ_EINT0]->action 定位到链表头指针，再根据pin_desc[x]
//   找到对应节点并删除。注意IRQ_EINT0 是个宏，实际展开后是一个中断号irqno
int key_drv_close(struct inode *inode, struct file *file)
{
    free_irq(IRQ_EINT0, &pins_desc[0]);
    free_irq(IRQ_EINT2, &pins_desc[1]);
    free_irq(IRQ_EINT11, &pins_desc[2]);
    free_irq(IRQ_EINT19, &pins_desc[3]);
}
ssize_t key_drv_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
    if(size != 1) // 强制只读一个字节数值
        return -EINVAL;
    // 如果ev_press，则将该进程加入到key_waitq等待队列中，即调度出去
    // 直到中断发生时，中断处理函数设置ev_press=1并唤醒该进程
    wait_event_interruptible(key_waitq, ev_press);
    
    copy_to_user(buf, &key_val, 1);
    ev_press = 0; // 注意执行完read之后清零ev_press，让该进程继续睡，不然会把一次按下当作多次，误操作
    return 1;  
}

测试函数：key_drv_ts.c

#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(void)
{
	int fd, val = 1;
	int cnt = 0;
	unsigned char key_val;
	fd = open("/dev/key_drv", O_RDWR);
	if(fd < 0)
		printf("can't open /dev/key_drv!\n");
	while(1)
	{
		read(fd, &key_val,1); //如果没中断发生，该进程会进入休眠
		printf("key_val = 0x%x\n", key_val);
	}
	return 0;
	}

补充：打开s2 s3 s4 s5四个设备
执行命令： exec 5</dev/key_drv
注意：当rmmod 失败时，需lsmod查看是否正在占用这个模块，看Used 是否等于0
不为0时，需先取消占用，执行命令： exec 5<&-
接下来，按其中任一按键，则会在中断打印，如下所示

3 按键驱动程序——poll机制

上面中断方式，read执行后，如果没有中断发生进程就休眠了，即read不会返回，如果
要求在每隔一定时间检测有没按键发生呢？这时候就可利用poll机制了，在指定时间没有
中断发生，则休眠。如果在指定时间范围内，有中断发生，则唤醒执行处理
代码如下：

#include <linux/poll.h>  //记得添加这个头文件

static unsigned key_drv_poll(struct file *file, poll_table *wait)
{
    unsigned int mask = 0;
    poll_wait(file, &key_waitq, wait);
    if(ev_press) //如果中断发生，设置mask使其!=0，从而唤醒进程
        mask |= POLLIN | POLLRDNORM;
    return mask;
}
static struct file_operations key_drv_opts = {
 .owner = THIS_MODULE,
    .open = key_drv_open,
    .read = key_drv_read,
    .release = key_drv_close,
    .poll = key_drv_poll,   // 添加这一项
};

测试函数：key_drv_ts.c

#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <poll.h>  //记得添加这个头文件，其实什么函数需包含什么头文件不需记住，man 2 poll即可

int main(void)
{
	int fd, val = 1;
	int cnt = 0;
	int ret;
	unsigned char key_val;
	struct pollfd fds[1];
	
	fd = open("/dev/key_drv", O_RDWR);
	if(fd < 0)
		printf("can't open /dev/key_drv!\n");
		
	fds[0].fd = fd;
	fds[0].events = POLLIN; 
	while(1)
	{
		ret = poll(fds, 1, 5000);//设置超时时间5s，超时会返回0
		if (ret == 0)
		{
			printf("time out\n");
		}
		else{
			read(fd, &key_val,1);
			printf("key_val = 0x%x\n", key_val);'
		}
	}
	return 0;
}

运行结果：
key_drv_poll运行结果

4 按键驱动程序——异步通知
前面三种都是被动通知的，即应用程序主动去查询。
一个应用程序当然不可能这么无聊，因为还有其它重要事情要干呀。因此如何实现有数据来了主动通知用户程序呢？
异步通知，明确几个要点
1）谁通知？  --->驱动程序
2）通知谁？ ---->用户程序
3）如何通知  ---> 驱动程序发送信号
4）谁来处理 ---> 用户程序通过signal定义一个信号接收处理函数
			(类似QT的信号与槽机制，绑定一个信号，通过槽函数处理)
OK，明确上面几步之后，来看看如何实现，代码如下

// 在中断处理函数里通知用户程序——通过kill_fasync函数发送
static struct fasync_struct *key_async;

static irqreturn_t key_irq(int irq, void *dev_id)
{
    struct pin_desc *p = (struct pin_desc*)dev_id;
    unsigned int pin_val;
    pin_val = s3c2410_gpio_getpin(p->pin);
    if(pin_val)
    {
        /* 松开 */
        key_val = 0x80 | p->key_val;
    }else
    {
        /* 按下 */
        key_val = p->key_val;
    }
    ev_press = 1;
    wake_up_interruptible(&key_waitq);
    
    kill_fasync( &key_async, SIGIO, POLL_IN); // 驱动程序发送信号给用户app
    return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);
}
// 用于创建并初始化 key_async这个指针所指结构体，里面指定了发送目标的PID
// 因此用户程序需告诉pid 给驱动程序
// 而 key_drv_fasync 在用户程序调用 fcntl 时会调用，用于告诉驱动程序pid
static int key_drv_fasync (int fd, struct file *filp, int on)
{
    printk("driver: key_drv_fasync\n");
    return fasync_helper(fd, filp, on, &key_async);
}
static struct file_operations key_drv_opts = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = key_drv_open,
    .read = key_drv_read,
    .release = key_drv_close,
    .poll = key_drv_poll,
    .fasync = key_drv_fasync,  // 添加一项
};

用户程序如下：key_drv_ts.c

#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <poll.h>
#include <signal.h>

int fd;
void handle_key_irq(int signum)
{
    unsigned char key_val;
    read(fd, &key_val, 1);
    printf("key_val: 0x%x\n", key_val);
}
int main(void)
{
 	int  val = 1;
 	int cnt = 0;
 	int ret;
 	int Oflags;
 	
 	signal(SIGIO, handle_key_irq);
 	fd = open("/dev/key_drv", O_RDWR);
 	if(fd < 0)
  		printf("can't open /dev/key_drv!\n");
  	/* 以下设置用于告诉驱动程序PID，即在flags变化时调用key_drv_fasync初始化那个结构体*/
 	fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());
 	Oflags = fcntl(fd, F_GETFL);
 	fcntl(fd, F_SETFL, Oflags| FASYNC);
	while(1)
	{
  		sleep(1000);
 	}
 	return 0;
}

测试结果：
按键异步通知的测试结果

5 按键驱动程序——同步、互斥、阻塞

如果要求只能一个程序打开按键驱动，怎么实现呢？
有两种方法：
其一：原子操作，代码如下

static atomic_t canopen = ATOMIC_INIT(1); //定义一个原子量，并初始化为1

static int key_drv_open(struct inode* inode, struct file* file)
{
    if (!atomic_dec_and_test(&canopen)) //先减再测试是否为0，第一次打开为0，后面打开则报错返回
    {
        atomic_inc(&canopen);
        return -EBUSY;
    }
    request_irq(IRQ_EINT0,&key_irq,IRQT_BOTHEDGE,"s2",&pins_desc[0]);
    request_irq(IRQ_EINT2,&key_irq,IRQT_BOTHEDGE,"s3",&pins_desc[1]);
    request_irq(IRQ_EINT11,&key_irq,IRQT_BOTHEDGE,"s4",&pins_desc[2]);
    request_irq(IRQ_EINT19,&key_irq,IRQT_BOTHEDGE,"s5",&pins_desc[3]);
    return 0;
}

测试函数：key_drv_ts.c

#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <poll.h>
#include <signal.h>

int main(void)
{
	int val = 1, fd;
	int cnt = 0;
	int ret;
	fd = open("/dev/key_drv", O_RDWR);
	if(fd < 0)
	printf("can't open /dev/key_drv!\n");
	while(1)
	{
  		ret = read(fd, &key_val, 1); //第一次打开，进程会睡眠
       	 	printf("key_val: 0x%x, ret = %d\n",
           		key_val, ret);
       	 	sleep(5);
 	}
	return 0;
}

测试结果图如下
原子操作，禁止打开第二个驱动
其二： 信号量
只需在open函数获取一个信号量，而在close函数释放即可

static DECLARE_MUTEX(key_lock); //定义并初始化一个互斥锁

static int key_drv_open(struct inode* inode, struct file* file)
{
#if 0
    if (!atomic_dec_and_test(&canopen))
    {
        atomic_inc(&canopen);
        return -EBUSY;
    }
#endif
    // 获取信号量
    down(&key_lock);
    
    request_irq(IRQ_EINT0,&key_irq,IRQT_BOTHEDGE,"s2",&pins_desc[0]);
    request_irq(IRQ_EINT2,&key_irq,IRQT_BOTHEDGE,"s3",&pins_desc[1]);
    request_irq(IRQ_EINT11,&key_irq,IRQT_BOTHEDGE,"s4",&pins_desc[2]);
    request_irq(IRQ_EINT19,&key_irq,IRQT_BOTHEDGE,"s5",&pins_desc[3]);
    return 0;
}
int key_drv_close(struct inode *inode, struct file *file)
{
    free_irq(IRQ_EINT0, &pins_desc[0]);
    free_irq(IRQ_EINT2, &pins_desc[1]);
    free_irq(IRQ_EINT11, &pins_desc[2]);
    free_irq(IRQ_EINT19, &pins_desc[3]);
    up(&key_lock); //记得退出时释放锁
}
ssize_t key_drv_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
    if(size != 1)
        return -EINVAL;
        
    // 如果没有按键动作，休眠
    wait_event_interruptible(key_waitq, ev_press);
    // 如果有按键动作，返回键值
    copy_to_user(buf, &key_val, 1);
    ev_press = 0;
    return 1;
}

测试函数:key_drv_ts.c

#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <poll.h>
#include <signal.h>

int main(void)
{
	int val = 1, fd;
	int cnt = 0;
	int ret, key_val;
	
	fd = open("/dev/key_drv", O_RDWR);
	if(fd < 0)
		printf("can't open /dev/key_drv!\n");
	while(1)
	{
		ret = read(fd, &key_val, 1);
		printf("key_val: 0x%x, ret = %d\n",
		key_val, ret);
	}
	return 0;
}

测试结果
信号量的测试结果
此外，还可以配合阻塞与非阻塞方式，
阻塞常与信号量搭配使用。默认open时是阻塞的，所谓阻塞，即open时如果不能获取信号量，则进程阻塞休眠不返回
相反，非阻塞在无法获取信号量时会立即返回。代码实现如下

static int key_drv_open(struct inode* inode, struct file* file)
{
	if(file->f_flags & O_NONBLOCK) //如果非阻塞，则尝试获取信号量
	{
		if(down_trylock(&key_lock))
	   		return -EBUSY;
	}else //阻塞，则获得信号量
	{
 		 down(&key_lock);
 	}
 	request_irq(IRQ_EINT0,&key_irq,IRQT_BOTHEDGE,"s2",&pins_desc[0]);
        request_irq(IRQ_EINT2,&key_irq,IRQT_BOTHEDGE,"s3",&pins_desc[1]);
        request_irq(IRQ_EINT11,&key_irq,IRQT_BOTHEDGE,"s4",&pins_desc[2]);
        requesto_irq(IRQ_EINT19,&key_irq,IRQT_BOTHEDGE,"s5",&pins_desc[3]);
        return 0;
}
ssize_t key_drv_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
	if(size != 1)
        	return -EINVAL;
 	if(file->f_flags & O_NONBLOCK) //如果非阻塞，且没有按键按下，则直接返回
 	{
  		if(!ev_press)
  			return -EAGAIN;
 	}
 	else //如果阻塞，则休眠
 	{
        	// 如果没有按键动作，休眠
     		wait_event_interruptible(key_waitq, ev_press);
	 }
    	// 如果有按键动作，返回键值
    	copy_to_user(buf, &key_val, 1);
    	ev_press = 0;
    	return 1;
}

测试函数

#include <sys/stat.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <poll.h>
#include <signal.h>

int main(void)
{
	int val = 1, fd;
	int cnt = 0;
	int ret, key_val;
	
	fd = open("/dev/key_drv", O_RDWR | O_NONBLOCK); //非阻塞方式打开
	if(fd < 0)
		printf("can't open /dev/key_drv!\n");
	while(1)
	{
		ret = read(fd, &key_val, 1);
		printf("key_val: 0x%x, ret = %d\n",
		key_val, ret);
		sleep(5);
	}
	return 0;
}

测试结果：
非阻塞测试结果

OK，以上是本篇文章的所有内容，主要提取核心代码进行讲解，完整代码可从https://blog.youkuaiyun.com/qq_42800075/article/details/105670841获取

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