树莓派linux led字符设备驱动（信号量）

一、信号量

Linux 内核提供了信号量机制，信号量常常用于控制对共享资源的访问。相比于自旋锁，信号量可以使线程进入休眠状态，使用信号量会提高处理器的使用效率。但是，信号量的开销要比自旋锁大，因为信号量使线程进入休眠状态以后会切换线程，切换线程就会有开销。总结一下信号量的特点：
①、因为信号量可以使等待资源线程进入休眠状态，因此适用于那些占用资源比较久的场合。
②、因此信号量不能用于中断中，因为信号量会引起休眠，中断不能休眠。
③、如果共享资源的持有时间比较短，那就不适合使用信号量了，因为频繁的休眠、切换线程引起的开销要远大于信号量带来的优势。

1.1、信号量 API 函数

Linux 内核使用 semaphore 结构体表示信号量，结构体内容如下所示：

struct semaphore {raw_spinlock_t lock;unsigned int count;struct list_head wait_list;
};

信号量的 API 函数有：

DEFINE_SEAMPHORE(name)

定义一个信号量，并且设置信号量的值为 1。

void sema_init(struct semaphore *sem, int val)

初始化信号量 sem，设置信号量值为 val。

void down(struct semaphore *sem)

获取信号量，因为会导致休眠，因此不能在中断中使用。

int down_trylock(struct semaphore *sem);

尝试获取信号量，如果能获取到信号量就获取，并且返回 0。如果不能就返回非 0，并且不会进入休眠。

int down_interruptible(struct semaphore *sem)

获取信号量，和 down 类似，只是使用 down 进入休眠状态的线程不能被信号打断。而使用此函数进入休眠以后是可以被信号打断的。

void up(struct semaphore *sem)

释放信号量

二、编写驱动程序

2.1 修改设备树文件

ledtest{#address-cells = <1>;#size-cells = <1>;compatible = "ledtest";pinctrl-names = "default";linux,default-trigger = "input";gpios = <&gpio 26 0>;status = "okay";
};

2.2、LED 驱动修改

#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/semaphore.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>#define GPIOLED_CNT            1           /* 设备号个数 */
#define GPIOLED_NAME        "ledtest" /* 名字 */
#define LEDOFF              0           /* 关灯 */
#define LEDON               1           /* 开灯 *//* gpioled设备结构体 */
struct gpioled_dev{dev_t devid;         /* 设备号   */struct cdev cdev;        /* cdev     */struct class *class;  /* 类        */struct device *device;    /* 设备    */int major;               /* 主设备号   */int minor;              /* 次设备号   */struct device_node  *nd; /* 设备节点 */int led_gpio;            /* led所使用的GPIO编号        */struct semaphore sem; /* 信号量 */
};struct gpioled_dev gpioled;   /* led设备 *//** @description        : 打开设备* @param - inode     : 传递给驱动的inode* @param - filp   : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量*                       一般在open的时候将private_data指向设备结构体。* @return             : 0 成功;其他 失败*/
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 *//* 获取信号量 */if (down_interruptible(&gpioled.sem)) { /* 获取信号量,进入休眠状态的进程可以被信号打断 */return -ERESTARTSYS;}return 0;
}/** @description      : 从设备读取数据 * @param - filp  : 要打开的设备文件(文件描述符)* @param - buf    : 返回给用户空间的数据缓冲区* @param - cnt  : 要读取的数据长度* @param - offt  : 相对于文件首地址的偏移* @return             : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败*/
static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{return 0;
}/** @description      : 向设备写数据 * @param - filp   : 设备文件，表示打开的文件描述符* @param - buf     : 要写给设备写入的数据* @param - cnt     : 要写入的数据长度* @param - offt  : 相对于文件首地址的偏移* @return             : 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败*/
static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{int retvalue;unsigned char databuf[1];unsigned char ledstat;struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);if(retvalue < 0) {printk("kernel write failed!\r\n");return -EFAULT;}ledstat = databuf[0];        /* 获取状态值 */if(ledstat == LEDON) { gpio_set_value(dev->led_gpio, 0);    /* 打开LED灯 */} else if(ledstat == LEDOFF) {gpio_set_value(dev->led_gpio, 1);    /* 关闭LED灯 */}return 0;
}/** @description      : 关闭/释放设备* @param - filp   : 要关闭的设备文件(文件描述符)* @return             : 0 成功;其他 失败*/
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;up(&dev->sem);     /* 释放信号量，信号量值加1 */return 0;
}/* 设备操作函数 */
static struct file_operations gpioled_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = led_open,.read = led_read,.write = led_write,.release =    led_release,
};/** @description : 驱动入口函数* @param       : 无* @return       : 无*/
static int __init led_init(void)
{int ret = 0;/* 初始化信号量 */sema_init(&gpioled.sem, 1);/* 设置LED所使用的GPIO *//* 1、获取设备节点：gpioled */gpioled.nd = of_find_node_by_path("/ledtest");if(gpioled.nd == NULL) {printk("ledtest node not find!\r\n");return -EINVAL;} else {printk("ledtest node find!\r\n");}/* 2、 获取设备树中的gpio属性，得到LED所使用的LED编号 */gpioled.led_gpio = of_get_named_gpio(gpioled.nd, "gpios", 0);if(gpioled.led_gpio < 0) {printk("can't get gpios");return -EINVAL;}printk("gpios num = %d\r\n", gpioled.led_gpio);ret = gpio_direction_output(gpioled.led_gpio, 1);if(ret < 0) {printk("can't set gpio!\r\n");}/* 注册字符设备驱动 *//* 1、创建设备号 */if (gpioled.major) {       /*  定义了设备号 */gpioled.devid = MKDEV(gpioled.major, 0);register_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME);} else {                     /* 没有定义设备号 */alloc_chrdev_region(&gpioled.devid, 0, GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME); /* 申请设备号 */gpioled.major = MAJOR(gpioled.devid);   /* 获取分配号的主设备号 */gpioled.minor = MINOR(gpioled.devid);  /* 获取分配号的次设备号 */}printk("gpioled major=%d,minor=%d\r\n",gpioled.major, gpioled.minor);  /* 2、初始化cdev */gpioled.cdev.owner = THIS_MODULE;cdev_init(&gpioled.cdev, &gpioled_fops);/* 3、添加一个cdev */cdev_add(&gpioled.cdev, gpioled.devid, GPIOLED_CNT);/* 4、创建类 */gpioled.class = class_create(THIS_MODULE, GPIOLED_NAME);if (IS_ERR(gpioled.class)) {return PTR_ERR(gpioled.class);}/* 5、创建设备 */gpioled.device = device_create(gpioled.class, NULL, gpioled.devid, NULL, GPIOLED_NAME);if (IS_ERR(gpioled.device)) {return PTR_ERR(gpioled.device);}return 0;
}/** @description  : 驱动出口函数* @param       : 无* @return       : 无*/
static void __exit led_exit(void)
{/* 注销字符设备驱动 */cdev_del(&gpioled.cdev);/*  删除cdev */unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT); /* 注销设备号 */device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid);class_destroy(gpioled.class);
}module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("zsx");

2.3、编写测试APP

测试 APP 使用https://blog.csdn.net/xxxx123041/article/details/120421290中的 App.c 即可。

三、运行测试

将编译出来的 led.ko文件拷贝到/lib/modules/5.10.17-v7l+/ 目录中，输入如下命令加载 led.ko 驱动模块：

sudo depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
sudo modprobe ledtest//加载驱动
dmesg //查看模块打印信息

驱动加载成功以后会自动在/dev 目录下创建设备节点文件/dev/ledtest。驱动加载成功以后就可以使用 App 软件来测试驱动是否工作正常，输入如下命令以后台运行模式打开 LED 灯，“&”表示在后台运行 App 这个软件：

./App /dev/ledtest 1& //打开 LED 灯

输出了“App running times:1”和“App running times:2”，这就是模拟 25S 占用，说明 App 这个软件正在使用 LED 灯。此时再输入如下命令关闭 LED 灯：

./App /dev/ledtest 0&//关闭 LED 灯

注意两个命令都是运行在后台，第一条命令先获取到信号量，因此可以操作 LED 灯，将LED 灯打开，并且占有 25S。第二条命令因为获取信号量失败而进入休眠状态，等待第一条命令运行完毕并释放信号量以后才拥有 LED 灯使用权，将 LED 灯关闭。