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阻塞和非阻塞 IO
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:
void init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q)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,结构体内容如下:
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;使用宏 DECLARE_WAITQUEUE 定义并初始化一个等待队列项,宏的内容如下:
DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk)name 就是等待队列项的名字,tsk 表示这个等待队列项属于哪个任务(进程),一般设置为current , 在 Linux 内 核 中 current 相 当 于 一 个 全 局 变 量 , 表 示 当 前 进 程 。 因 此 宏DECLARE_WAITQUEUE 就是给当前正在运行的进程创建并初始化了一个等待队列项。
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.
void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q,
wait_queue_t *wait)
void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q,
wait_queue_t *wait)void wake_up(wait_queue_head_t *q)
void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *q)参数 q 就是要唤醒的等待队列头,这两个函数会将这个等待队列头中的所有进程都唤醒。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。
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
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。select 函数原型如下
int select(int nfds,
fd_set *readfds,
fd_set *writefds,
fd_set *exceptfds,
struct timeval *timeout)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。
readfds、writefds 和 exceptfds:这三个指针指向描述符集合,这三个参数指明了关心哪些描述符、需要满足哪些条件等等,这三个参数都是 fd_set 类型的,fd_set 类型变量的每一个位都代表了一个文件描述符。readfds 用于监视指定描述符集的读变化,也就是监视这些文件是否可以读取,只要这些集合里面有一个文件可以读取那么 seclect 就会返回一个大于 0 的值表示文件可以读取。如果没有文件可以读取,那么就会根据 timeout 参数来判断是否超时。可以将 readfs设置为 NULL,表示不关心任何文件的读变化。writefds 和 readfs 类似,只是 writefs 用于监视这些文件是否可以进行写操作。exceptfds 用于监视这些文件的异常。
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。
timeout:超时时间,当我们调用 select 函数等待某些文件描述符可以设置超时时间,超时时间使用结构体 timeval 表示,结构体定义如下所示:
struct timeval {
long tv_sec;/* 秒*/
long tv_usec;/* 微妙*/
};当 timeout 为 NULL 的时候就表示无限期的等待。
返回值: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。
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); 9 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; 14 timeout.tv_usec = 500000;
/* 500ms
/* 非阻塞式访问 */
*/
*/
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;
}
}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,
int poll(struct pollfd *fds,
nfds_t nfds,
int timeout)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,数组元素都是结构体 pollfd类型的,pollfd 结构体如下所示:
struct pollfd {
int fd;/* 文件描述符*/
short events;/* 请求的事件*/
short revents;/* 返回的事件*/
};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:
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 POLLINrevents 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。
nfds:poll 函数要监视的文件描述符数
timeout:超时时间,单位为 ms。
返回值: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。
当应用程序调用 select 或 poll 函数来对驱动程序进行非阻塞访问的时候,驱动程序file_operations 操作集中的 poll 函数就会执行。所以驱动程序的编写者需要提供对应的 poll 函数,poll 函数原型如下所示:
unsigned int (*poll) (struct file *filp, struct poll_table_struct *wait)filp:要打开的设备文件(文件描述符)。
wait:结构体 poll_table_struct 类型指针,由应用程序传递进来的。一般将此参数传递给poll_wait 函数。
返回值:向应用程序返回设备或者资源状态,可以返回的资源状态如下:
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,普通数据可读我们需要在驱动程序的 poll 函数中调用 poll_wait 函数,poll_wait 函数不会引起阻塞,只是应用程序添加到 poll_table 中,poll_wait 函数原型如下
void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address,
poll_table *p)参数 wait_address 是要添加到 poll_table 中的等待队列头,参数 p 就是 poll_table,就是
file_operations 中 poll 函数的 wait 参数。
异步通知
异步通知的核心就是信号,在 arch/xtensa/include/uapi/asm/signal.h 文件中定义了 Linux 所支持的所有信号,这些信号如下所示:
#define SIGHUP 1 /* 终端挂起或控制进程终止 */
#define SIGINT 2 /* 终端中断(Ctrl+C 组合键) */
#define SIGQUIT 3 /* 终端退出(Ctrl+\组合键) */
#define SIGILL 4 /* 非法指令 */
#define SIGTRAP 5 /* debug 使用,有断点指令产生 */
#define SIGABRT 6 /* 由 abort(3)发出的退出指令 */
#define SIGIOT 6 /* IOT 指令 */
#define SIGBUS 7 /* 总线错误 */
#define SIGFPE 8 /* 浮点运算错误 */
#define SIGKILL 9 /* 杀死、终止进程 */
#define SIGUSR1 10 /* 用户自定义信号 1 */
#define SIGSEGV 11 /* 段违例(无效的内存段) */
#define SIGUSR2 12 /* 用户自定义信号 2 */
#define SIGPIPE 13 /* 向非读管道写入数据 */
#define SIGALRM 14 /* 闹钟 */
#define SIGTERM 15 /* 软件终止 */
#define SIGSTKFLT 16 /* 栈异常 */
#define SIGCHLD 17 /* 子进程结束 */
#define SIGCONT 18 /* 进程继续 */
#define SIGSTOP 19 /* 停止进程的执行,只是暂停 */
#define SIGTSTP 20 /* 停止进程的运行(Ctrl+Z 组合键) */
#define SIGTTIN 21 /* 后台进程需要从终端读取数据 */
#define SIGTTOU 22 /* 后台进程需要向终端写数据 */
#define SIGURG 23 /* 有"紧急"数据 */
#define SIGXCPU 24 /* 超过 CPU 资源限制 */
#define SIGXFSZ 25 /* 文件大小超额 */
#define SIGVTALRM 26 /* 虚拟时钟信号 */
#define SIGPROF 27 /* 时钟信号描述 */
#define SIGIO 29
#define SIGPOLL SIGIO /* 可以进行输入/输出操作 */
/* #define SIGLOS 29 */
#define SIGPWR 30 /* 断点重启 */
#define SIGSYS 31 /* 非法的系统调用 */
#define SIGUNUSED 31 /* 未使用信号 */ 除了 SIGKILL(9)和 SIGSTOP(19)这两个信号不能被忽略外,其他的信号都可以忽略。这些信号就相当于中断号,不同的中断号代表了不同的中断,不同的中断所做的处理不同,因此,驱动程序可以通过向应用程序发送不同的信号来实现不同的功能。
我们使用中断的时候需要设置中断处理函数,同样的,如果要在应用程序中使用信号,那么就必须设置信号所使用的信号处理函数,在应用程序中使用 signal 函数来设置指定信号的处理函数,signal 函数原型如下所示
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler)typedef void (*sighandler_t)(int)首先我们需要在驱动程序中定义一个 fasync_struct 结构体指针变量, fasync_struct 结构体内容如下:
struct fasync_struct {
spinlock_t fa_lock;
int magic;
int fa_fd;
struct fasync_struct *fa_next;
struct file *fa_file;
struct rcu_head fa_rcu;
};如果要使用异步通知,需要在设备驱动中实现 file_operations 操作集中的 fasync 函数,此函数格式如下所示:
int (*fasync) (int fd, struct file *filp, int on)fasync 函数里面一般通过调用 fasync_helper 函数来初始化前面定义的 fasync_struct 结构体指针,fasync_helper 函数原型如下:
int fasync_helper(int fd, struct file * filp, int on, struct fasync_struct **fapp)fasync_helper 函数的前三个参数就是 fasync 函数的那三个参数,第四个参数就是要初始化的 fasync_struct 结构体指针变量。当应用程序通过“fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC)”改变
fasync 标记的时候,驱动程序 file_operations 操作集中的 fasync 函数就会执行。
在关闭驱动文件的时候需要在 file_operations 操作集中的 release 函数中释放 fasync_struct,
fasync_struct 的释放函数同样为 fasync_helper
当设备可以访问的时候,驱动程序需要向应用程序发出信号,相当于产生“中断”。 kill_fasync函数负责发送指定的信号,kill_fasync 函数原型如下所示:
void kill_fasync(struct fasync_struct **fp, int sig, int band)函数参数和返回值含义如下:
fp:要操作的 fasync_struct。
sig:要发送的信号。
band:可读时设置为 POLL_IN,可写时设置为 POLL_OUT。
返回值:无。
应用程序对异步通知的处理包括以下三步:
1、注册信号处理函数
应用程序根据驱动程序所使用的信号来设置信号的处理函数,应用程序使用 signal 函数来设置信号的处理函数。前面已经详细的讲过了,这里就不细讲了。
2、将本应用程序的进程号告诉给内核
使用 fcntl(fd, F_SETOWN, getpid())将本应用程序的进程号告诉给内核。
3、开启异步通知
使用如下两行程序开启异步通知:
flags = fcntl(fd, F_GETFL);/* 获取当前的进程状态*/
fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC); /* 开启当前进程异步通知功能 */重点就是通过 fcntl 函数设置进程状态为 FASYNC,经过这一步,驱动程序中的 fasync 函
数就会执行
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