向文件描述符(fd)对应的文件结构体(struct file)写入阻塞和非阻塞的标志,让驱动程序的操作函数能根据不同的标志作出不同的行为

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前言和概述

之前我写过一篇博文，仔细区分了阻塞和休眠这两个概念，相关博文的链接：
https://blog.youkuaiyun.com/wenhao_ir/article/details/145229580
上面这篇博文表明阻塞和休眠其实是相互独立的概念，并没有谁包含谁的意义。
但如果从宽泛的角度来说，人们常常把休眠看成阻塞，相关的判断操作也都通过以阻塞命名的flag来进行判断，比如休眠还是不休眠，人们常常在编程时通过标志BLOCK和NONBLOCK来进行判断，严格来说，这是不准确的，不过人们已经习惯这样了。

在本文中，我们在用户空间通过向文件描述符(fd)的文件结构体中写入与阻塞控制相关的flag，从而让驱动程序能根据用户写入的与阻塞控制相关的标志进行判断该进行何种操作。
文件描述符(fd)和文件结构体的详细介绍请参考我的另一篇博文：
https://blog.youkuaiyun.com/wenhao_ir/article/details/144931005

本文的代码根据在博文 https://blog.youkuaiyun.com/wenhao_ir/article/details/145228617 中的代码修改而来。

代码其实非常简单，如果把博文 https://blog.youkuaiyun.com/wenhao_ir/article/details/145258992 中与“向文件描述符(fd)的文件结构体”写入flag信息的语句搞懂了，那这篇博文的代码很容易就看懂了。

完整源代码

驱动程序`gpio_key_drv.c`中的代码

#include <linux/module.h>

#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/of_irq.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/irq.h>
#include <linux/slab.h>


struct gpio_key{
	int gpio;
	struct gpio_desc *gpiod;
	int flag;
	int irq;
} ;

static struct gpio_key *gpio_keys_100ask;

/* 主设备号                                                                 */
static int major = 0;
static struct class *gpio_key_class;

static int g_key = 0;

static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(gpio_key_wait);


/* 环形缓冲区 */
#define BUF_LEN 128
static int g_keys[BUF_LEN];
static int r, w;

#define NEXT_POS(x) ((x+1) % BUF_LEN)

static int is_key_buf_empty(void)
{
	return (r == w);
}

static int is_key_buf_full(void)
{
	return (r == NEXT_POS(w));
}

static void put_key(int key_value)
{
	if (!is_key_buf_full())
	{
		g_keys[w] = key_value;
		w = NEXT_POS(w);
	}
}

static int get_key(void)
{
	int key_value = 0;
	if (!is_key_buf_empty())
	{
		key_value = g_keys[r];
		r = NEXT_POS(r);
	}
	return key_value;
}


/* 实现文件操作结构体中的read函数  */
static ssize_t gpio_key_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	//printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	int err;
	int key;

	if (file->f_flags & O_NONBLOCK) // 非阻塞模式下的处理分支
		if (is_key_buf_empty()){
			return -EAGAIN;  // 非阻塞模式下无数据
		}
		else{
			key = get_key();
			err = copy_to_user(buf, &key, 4);
            if (err) {
                return -EFAULT;  // 内存拷贝失败
            }
			return 4;
		}
	else{ // 阻塞模式下的处理分支
		wait_event_interruptible(gpio_key_wait, !is_key_buf_empty());
		key = get_key();
		err = copy_to_user(buf, &key, 4);
        if (err) {
            return -EFAULT;  // 内存拷贝失败
        }
		return 4;
	}

}


/* 定义自己的file_operations结构体                                              */
static struct file_operations gpio_key_drv = {
	.owner	 = THIS_MODULE,
	.read    = gpio_key_drv_read,
};

static irqreturn_t gpio_key_isr(int irq, void *dev_id)
{
    struct gpio_key *gpio_key = dev_id;
    int val;

    // 返回引脚电平的逻辑值，注意：如果是低电平有效，则当物理电平为低电平时，其返回值为1；则当物理电平为高电平时，其返回值为0.
	// 如果要得到物理电平值，可以用函数gpiod_get_raw_value()得到
    val = gpiod_get_value(gpio_key->gpiod);

    // 打印中断号、GPIO引脚编号和电平值
    // printk("Interrupt number: %d; GPIO pin number: %d; Pin Logical value: %d\n", irq, gpio_key->gpio, val);

	// g_key的高8位中存储的是GPIO口的编号，低8位中存储的是按键按下时的逻辑值
	g_key = (gpio_key->gpio << 8) | val;
	//装按键值放入环形缓冲区
	put_key(g_key);
	wake_up_interruptible(&gpio_key_wait);

    return IRQ_HANDLED;  // 表示中断已处理
}


/* 1. 从platform_device获得GPIO
 * 2. gpio=>irq
 * 3. request_irq
 */
static int gpio_key_probe(struct platform_device *pdev)
{
	int err;

	// 获取设备树节点指针
	struct device_node *node = pdev->dev.of_node;

	// count用于存储设备树中描述的GPIO口的数量
	int count;
	
	int i;
	enum of_gpio_flags flag;
	unsigned flags = GPIOF_IN;
		
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);

	count = of_gpio_count(node);
	if (!count)
	{
		printk("%s %s line %d, there isn't any gpio available\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
		return -1;
	}

	gpio_keys_100ask = kzalloc(sizeof(struct gpio_key) * count, GFP_KERNEL);
	if (!gpio_keys_100ask) {
		printk("Memory allocation failed for gpio_keys_100ask\n");
		return -ENOMEM;
	}


	for (i = 0; i < count; i++)
	{
		//  获取GIPO的全局编号及其标志位信息的代码
		gpio_keys_100ask[i].gpio = of_get_gpio_flags(node, i, &flag);
		if (gpio_keys_100ask[i].gpio < 0)
		{
			printk("%s %s line %d, of_get_gpio_flags fail\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
			return -1;
		}

		// 获取GPIO口的GPIO描述符的代码
		gpio_keys_100ask[i].gpiod = gpio_to_desc(gpio_keys_100ask[i].gpio);
		if (!gpio_keys_100ask[i].gpiod) {
			printk("Failed to get GPIO descriptor for GPIO %d\n", gpio_keys_100ask[i].gpio);
			return -EINVAL;
		}

		// 结构体gpio_key的成员flag用于存储对应的GPIO口是否是低电平有效，假如是低电平有效，成员flag的值为1，假如不是低电平有效，成员flag的值为0。
		// 后续代码实际上并没有用到成员flag，这里出现这句代码只是考虑到代码的可扩展性，所以在这里是可以删除的。
		gpio_keys_100ask[i].flag = flag & OF_GPIO_ACTIVE_LOW;

		// 每次循环都重新初始化flags
    	flags = GPIOF_IN;

		// 假如GPIO口是低电平有效,则把flags添加上低电平有效的信息
		if (flag & OF_GPIO_ACTIVE_LOW)
			flags |= GPIOF_ACTIVE_LOW;

		// 请求一个GPIO硬件资源与设备结构体`pdev->dev`进行绑定
		// 注意,这个绑定操作会在调用函数platform_driver_unregister()注销platform_driver时自动由内核解除绑定操作,所以gpio_key_remove函数中不需要显示去解除绑定
		// 由`devm`开头的函数通常都会内核自动管理资源，咱们在退出函数中不用人为的去释放资源或解除绑定。
		err = devm_gpio_request_one(&pdev->dev, gpio_keys_100ask[i].gpio, flags, NULL);

		// 获取GPIO口的中断请求号
		gpio_keys_100ask[i].irq  = gpio_to_irq(gpio_keys_100ask[i].gpio);
	}

	for (i = 0; i < count; i++)
	{
		char irq_name[32];  // 用于存储动态生成的中断名称

		//使用snprintf()函数将动态生成的中断名称写入irq_name数组
		snprintf(irq_name, sizeof(irq_name), "swh_gpio_irq_%d", i);  // 根据i生成名称

		//调用函数request_irq()来请求并设置一个中断
		err = request_irq(gpio_keys_100ask[i].irq, gpio_key_isr, IRQF_TRIGGER_FALLING, irq_name, &gpio_keys_100ask[i]);
	}

	/* 注册file_operations 	*/
	major = register_chrdev(0, "swh_read_keys_major", &gpio_key_drv);  

	gpio_key_class = class_create(THIS_MODULE, "swh_read_keys_class");
	if (IS_ERR(gpio_key_class)) {
		printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
		unregister_chrdev(major, "swh_read_keys_major");
		return PTR_ERR(gpio_key_class);
	}

	// 由于这里是把多个按键看成是一个设备,你可以想像一个键盘上对应多个按键,但键盘本身是一个设备,所以只有一个设备文件
	device_create(gpio_key_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "read_keys0"); /* /dev/read_keys0 */
        
   
    return 0;
    
}

static int gpio_key_remove(struct platform_device *pdev)
{
    struct device_node *node = pdev->dev.of_node;
    int count;
    int i;

	device_destroy(gpio_key_class, MKDEV(major, 0));
	class_destroy(gpio_key_class);
	unregister_chrdev(major, "swh_read_keys_major");

    count = of_gpio_count(node);
    for (i = 0; i < count; i++) 
	{
        // 只有在irq有效时才释放中断资源
        if (gpio_keys_100ask[i].irq >= 0) {
            // 释放GPIO中断资源,下面这句代码做了下面两件事：
			// 1、解除 `gpio_keys_100ask[i].irq` 中断号和 `gpio_key_isr` 中断处理函数的绑定。
			// 2、解除 `gpio_keys_100ask[i].irq` 中断号和中断处理函数与 `gpio_keys_100ask[i]` 数据结构的绑定。
            free_irq(gpio_keys_100ask[i].irq, &gpio_keys_100ask[i]);
        }

        // 释放GPIO描述符
        if (gpio_keys_100ask[i].gpiod) {
            gpiod_put(gpio_keys_100ask[i].gpiod);
        }
    }

    // 释放内存
    kfree(gpio_keys_100ask);
    return 0;
}


static const struct of_device_id irq_matach_table[] = {
    { .compatible = "swh-gpio_irq_key" },
    { },
};

/* 1. 定义platform_driver */
static struct platform_driver gpio_keys_driver = {
    .probe      = gpio_key_probe,
    .remove     = gpio_key_remove,
    .driver     = {
        .name   = "swh_irq_platform_dirver",
        .of_match_table = irq_matach_table,
    },
};

/* 2. 在入口函数注册platform_driver */
static int __init gpio_key_init(void)
{
    int err;
    
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	
    err = platform_driver_register(&gpio_keys_driver); 
	
	return err;
}

/* 3. 有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，就会去调用这个出口函数
 *     卸载platform_driver
 */
static void __exit gpio_key_exit(void)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);

    platform_driver_unregister(&gpio_keys_driver);
}


/* 7. 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点                                     */

module_init(gpio_key_init);
module_exit(gpio_key_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

测试程序`button_test.c`中的代码

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

/*
 * ./button_test /dev/100ask_button0
 *
 */

// 打印线程的执行函数
void* print_while_waiting(void* arg)
{
    while (1)
    {
        printf("I am another thread, and while the main thread is waiting for a button to be pressed, I can still run normally.\n");
        sleep(10); // 每隔10秒打印一次
    }
    return NULL;
}

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd;
    int val;
    pthread_t print_thread;
    int	flags;

    int i;

    /* 1. 判断参数 */
    if (argc != 2) 
    {
        printf("Usage: %s <dev>\n", argv[0]);
        return -1;
    }

    /* 2. 打开文件，打开的时候顺便将fd对应的文件结构体中的flag中添加O_NONBLOCK(非阻塞)的信息。 */
    fd = open(argv[1], O_RDWR | O_NONBLOCK);

    if (fd == -1)
    {
        printf("Can not open file %s\n", argv[1]);
        return -1;
    }

    // 创建一个线程，每隔一段时间打印输出一条信息表示在等待按键期间，另外的线程在继续正常执行。
    if (pthread_create(&print_thread, NULL, print_while_waiting, NULL) != 0)
    {
        printf("Failed to create print thread\n");
        close(fd);
        return -1;
    }

    // 先以非阻塞形式读取10次按键值
	for (i = 0; i < 10; i++) 
	{
		if (read(fd, &val, 4) == 4)
        {
            /* 提取 GPIO 编号和逻辑值 */
            int gpio_number = (val >> 8) & 0xFF; // 高8位为 GPIO 编号
            int gpio_value = val & 0xFF;         // 低8位为逻辑值
            printf("GPIO Number: %d, Logical Value: %d\n", gpio_number, gpio_value);
        }
		else
			printf("No key value obtained.\n");
	}

	flags = fcntl(fd, F_GETFL);  //获取文件描述符中的flag信息
	fcntl(fd, F_SETFL, flags & ~O_NONBLOCK); //将文件描述符中的flag信息追加~O_NONBLOCK(阻塞)的信息

    // 然后再以阻塞形式读取按键值
    while (1)
    {
        /* 3. 读文件 */
        read(fd, &val, 4);
        
        /* 提取 GPIO 编号和逻辑值 */
        int gpio_number = (val >> 8) & 0xFF; // 高8位为 GPIO 编号
        int gpio_value = val & 0xFF;         // 低8位为逻辑值

        /* 打印读到的信息 */
        printf("GPIO Number: %d, Logical Value: %d\n", gpio_number, gpio_value);
    }

	//pthread_join的作用是使主线程等待线程print_threa结束后再继续执行剩下的代码。
	//如果主线程在结束时未等待子线程完成，可能会导致未完成的资源清理或意外的程序终止。
	//这里由于主线程中有个条件永远为真的while循环，实际上这句代码没有实际作用。
    pthread_join(print_thread, NULL);

    close(fd);

    return 0;
}

代码解读

在用户空间中，设置文件描述符(fd)的文件结构体中的与阻塞控制有关的标志，相关代码如下：
在这里插入图片描述
在驱动程序中，根据设置的阻塞标志去判断到底要不要阻塞，相关代码如下：

设备树文件的修改和更新

和下面这些博文一样：
https://blog.youkuaiyun.com/wenhao_ir/article/details/145225508

https://blog.youkuaiyun.com/wenhao_ir/article/details/145176361

所以这里略。

Makfile文件

与博文 https://blog.youkuaiyun.com/wenhao_ir/article/details/145228617 的Makefile文件内容相同

交叉编译出驱动模块和测试程序

源码复制到Ubuntu中。
在这里插入图片描述

make

将交叉编译出的gpio_key_drv.ko和`button_test_02复制到NFS文件目录中，备用。
在这里插入图片描述
…未完待续…明天接着写…

加载模块

打开串口终端→打开开发板→挂载网络文件系统

mount -t nfs -o nolock,vers=3 192.168.5.11:/home/book/nfs_rootfs /mnt

insmod  /mnt/block_and_nonblock/gpio_key_drv.ko

在这里插入图片描述

检查设备文件生成没有

ls /dev/

有了：
在这里插入图片描述

运行测试程序

cd /mnt/block_and_nonblock

./button_test_02 /dev/read_keys0

在这里插入图片描述
从运行结果来看，的确是先以阻塞的形式运行了10次read()函数，然后再以阻塞的形式循环运行read()函数。

卸载驱动程序模块

由于程序与卸载有关的代码与博文(https://blog.youkuaiyun.com/wenhao_ir/article/details/145228617)中的代码相比没有任何改变，所以这里略。

附完整工程文件

https://pan.baidu.com/s/1A3ZvteH-X8vi5t2m2lsWlA?pwd=ncuy