Linux驱动编程（驱动程序基石）（上）

一、休眠与唤醒

要休眠的线程，放在 wq 队列里，中断处理函数从 wq 队列里把它取出来唤醒。所以，我们要做这几件事：
① 初始化 wq 队列
② 在驱动的 read 函数中，调用 wait_event_interruptible：
它本身会判断 event 是否为 FALSE，如果为 FASLE 表示无数据，则休眠。
当从 wait_event_interruptible 返回后，把数据复制回用户空间。
③ 在中断服务程序里：
设置 event 为 TRUE，并调用 wake_up_interruptible 唤醒线程。

1、驱动关键代码
初始化等待队列

 static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(gpio_key_wait);...//在驱动的读函数里调用 wait_event_interruptible
static ssize_t gpio_key_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{int err;wait_event_interruptible(gpio_key_wait, g_key);  //不一定会进入休眠，它会先判断 g_key 是否为 TRUEerr = copy_to_user(buf, &g_key, 4);g_key = 0;return 4;
}...static irqreturn_t gpio_key_isr(int irq, void *dev_id)
{struct gpio_key *gpio_key = dev_id;int val;val = gpiod_get_value(gpio_key->gpiod);printk("key %d %d\n", gpio_key->gpio, val);g_key = (gpio_key->gpio << 8) | val;      //确定按键值 g_key，g_key 也就变为 TRUE 了wake_up_interruptible(&gpio_key_wait);    //唤醒 gpio_key_wait 中的第 1 个线程return IRQ_HANDLED;
}

注意这 2 个函数，一个没有使用“&”，另一个使用了“&”：

wait_event_interruptible(gpio_key_wait, g_key);
wake_up_interruptible(&gpio_key_wait);

2、应用程序关键代码

/* 2. 打开文件 */
fd = open(argv[1], O_RDWR);if (fd == -1)
{printf("can not open file %s\n", argv[1]);return -1;
}while (1)   //循环读，app基本处于休眠
{/* 3. 读文件 */read(fd, &val, 4);printf("get button : 0x%x\n", val);
}

3、使用环形缓冲区改进驱动程序

使用环形缓冲区之后，休眠函数可以这样写：

wait_event_interruptible(gpio_key_wait, !is_key_buf_empty());
key = get_key();
err = copy_to_user(buf, &key, 4);

唤醒函数可以这样写：

key = (gpio_key->gpio << 8) | val;
put_key(key);
wake_up_interruptible(&gpio_key_wait);

二、poll机制

函数执行流程如上图①～⑧所示，重点从③开始看。假设一开始无按键数据：
③ APP 调用 poll 之后，进入内核态；
④ 导致驱动程序的 drv_poll 被调用：
注意，drv_poll 要把自己这个线程挂入等待队列 wq 中；假设不放入队列里，那以后发生中断时，中断服务程序去哪里找到你嘛？
⑤ 假设当前没有数据，则休眠一会；
⑥ 在休眠过程中，按下了按键，发生了中断：
在中断服务程序里记录了按键值，并且从 wq 中把线程唤醒了。
⑦ 线程从休眠中被唤醒，继续执行 for 循环，再次调用 drv_poll：drv_poll 返回数据状态
⑧ 哦，你有数据，那从内核态返回到应用态吧
⑨ APP 调用 read 函数读数据
如果一直没有数据，调用流程也是类似的，重点从③开始看，如下：
③ APP 调用 poll 之后，进入内核态；
④ 导致驱动程序的 drv_poll 被调用：
⑤ 假设当前没有数据，则休眠一会；
⑥ 在休眠过程中，一直没有按下了按键，超时时间到：内核把这个线程唤醒；
⑦ 线程从休眠中被唤醒，继续执行 for 循环，再次调用 drv_poll：drv_poll 返回数据状态
⑧ 哦，你还是没有数据，但是超时时间到了，那从内核态返回到应用态吧
⑨ APP 不能调用 read 函数读数据
注意几点：
① drv_poll 要把线程挂入队列 wq，但是并不是在 drv_poll 中进入休眠，而是在调用 drv_poll 之后休眠
② drv_poll 要返回数据状态
③ APP 调用一次 poll，有可能会导致 drv_poll 被调用 2 次
④ 线程被唤醒的原因有 2：中断发生了去队列 wq 中把它唤醒，超时时间到了内核把它唤醒
⑤ APP 要判断 poll 返回的原因：有数据，还是超时。有数据时再去调用 read 函数。

2.1、驱动编程
使用 poll 机制时，驱动程序的核心就是提供对应的 drv_poll 函数。
在 drv_poll 函数中要做 2 件事：
① 把当前线程挂入队列 wq：poll_wait
APP 调用一次 poll，可能导致 drv_poll 被调用 2 次，但是我们并不需要把当前线程挂入队列 2 次。
可以使用内核的函数 poll_wait 把线程挂入队列，如果线程已经在队列里了，它就不会再次挂入。
② 返回设备状态：
APP 调用 poll 函数时，有可能是查询“有没有数据可以读”：POLLIN，也有可能是查询“你有没有空间给我写数据”：POLLOUT。
所以 drv_poll 要返回自己的当前状态：(POLLIN | POLLRDNORM) 或 (POLLOUT | POLLWRNORM)。
POLLRDNORM等同于 POLLIN，为了兼容某些 APP 把它们一起返回。
POLLWRNORM等同于 POLLOUT ，为了兼容某些 APP 把它们一起返回。

APP 调用 poll 后，很有可能会休眠。对应的，在按键驱动的中断服务程序中，也要有唤醒操作。
驱动程序中 poll 的代码如下：

static unsigned int gpio_key_drv_poll(struct file *fp, poll_table * wait)
{printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);poll_wait(fp, &gpio_key_wait, wait);return is_key_buf_empty() ? 0 : POLLIN | POLLRDNORM;
}

在调用 poll 函数时，要指明：
① 你要监测哪一个文件：哪一个 fd
② 你想监测这个文件的哪种事件：是 POLLIN、还是 POLLOUT
最后，在 poll 函数返回时，要判断状态。

应用程序代码如下：

struct pollfd fds[1];
int timeout_ms = 5000;
int ret;fds[0].fd = fd;
fds[0].events = POLLIN;        //想等待什么事件ret = poll(fds, 1, timeout_ms);
if ((ret == 1) && (fds[0].revents & POLLIN))  //得到了什么事件
{read(fd, &val, 4);printf("get button : 0x%x\n", val);
}

三、异步通知

使用休眠-唤醒、POLL 机制时，都需要休眠等待某个事件发生时，它们的差别在于后者可以指定休眠的时长。

Linux下的信号

给某个信号注册处理函数，用法如下：

APP 还要做什么事？想想这几个问题：
① 内核里有那么多驱动，你想让哪一个驱动给你发 SIGIO 信号？
APP 要打开驱动程序的设备节点。
② 驱动程序怎么知道要发信号给你而不是别人？
APP 要把自己的进程 ID 告诉驱动程序。
③ APP 有时候想收到信号，有时候又不想收到信号：
应该可以把 APP 的意愿告诉驱动。

驱动程序要做什么？发信号。
① APP 设置进程 ID 时，驱动程序要记录下进程 ID；
② APP 还要使能驱动程序的异步通知功能，驱动中有对应的函数：
APP 打开驱动程序时，内核会创建对应的 file 结构体，file 中有 f_flags；
f_flags 中有一个 FASYNC 位，它被设置为 1 时表示使能异步通知功能。
当 f_flags 中的 FASYNC 位发生变化时，驱动程序的 fasync 函数被调用。
③ 发生中断时，有数据时，驱动程序调用内核辅助函数发信号。
这个辅助函数名为 kill_fasync。

重点从②开始：
② APP 给 SIGIO 这个信号注册信号处理函数 func，以后 APP 收到 SIGIO 信号时，这个函数会被自动调用；
③ 把 APP 的 PID(进程 ID)告诉驱动程序，这个调用不涉及驱动程序，在内核的文件系统层次记录 PID；
④ 读取驱动程序文件 Flag；
⑤ 设置 Flag 里面的 FASYNC 位为 1：当 FASYNC 位发生变化时，会导致驱动程序的 fasync 被调用；
⑥⑦ 调用 faync_helper，它会根据 FAYSNC 的值决定是否设置 button_async->fa_file=驱动文件 filp：驱动文件 filp 结构体里面含有之前设置的 PID。
⑧ APP 可以做其他事；
⑨⑩ 按下按键，发生中断，驱动程序的中断服务程序被调用，里面调用 kill_fasync 发信号；
⑪⑫⑬ APP 收到信号后，它的信号处理函数被自动调用，可以在里面调用 read 函数读取按键。

驱动编程
① 提供对应的 drv_fasync 函数；
② 并在合适的时机发信号。

drv_fasync 函数很简单，调用 fasync_helper 函数就可以，如下：

static struct fasync_struct *button_async;
static int drv_fasync (int fd, struct file *filp, int on)
{return fasync_helper (fd, filp, on, &button_async);
}

fasync_helper 函数会分配、构造一个 fasync_struct 结构体 button_async：
① 驱动文件的 flag 被设置为 FAYNC 时：

button_async->fa_file = filp; // filp 表示驱动程序文件，里面含有之前设置的 PID

② 驱动文件被设置为非 FASYNC 时：

button_async->fa_file = NULL;

以后想发送信号时，使用 button_async 作为参数就可以，它里面“可能”含有 PID。

怎么发信号呢？代码如下：

kill_fasync (&button_async, SIGIO, POLL_IN);

第 1 个参数：button_async->fa_file 非空时，可以从中得到 PID，表示发给哪一个 APP；
第 2 个参数表示发什么信号：SIGIO；
第 3 个参数表示为什么发信号：POLL_IN，有数据可以读了。(APP 用不到这个参数)

应用编程

① 编写信号处理函数：

static void sig_func(int sig)
{int val;read(fd, &val, 4);printf("get button : 0x%x\n", val);
}

② 注册信号处理函数：

signal(SIGIO, sig_func);

③ 打开驱动：

fd = open(argv[1], O_RDWR);

④ 把进程 ID 告诉驱动：

fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());

⑤ 使能驱动的 FASYNC 功能：

flags = fcntl(fd, F_GETFL);
fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC);

四、阻塞与非阻塞

所谓阻塞，就是等待某件事情发生。比如调用 read 读取按键时，如果没有按键数据则 read 函数不会返回，它会让线程休眠等待。
使用 poll 时，如果传入的超时时间不为 0，这种访问方法也是阻塞的。

注意：对于普通文件、块设备文件，O_NONBLOCK 不起作用。
注意：对于字符设备文件，O_NONBLOCK 起作用的前提是驱动程序针对 O_NONBLOCK 做了处理。

只能在 open 时表明 O_NONBLOCK 吗？在 open 之后，也可以通过 fcntl 修改为阻塞或非阻塞。

应用编程
open 时设置：

int fd = open(“/dev/xxx”, O_RDWR | O_NONBLOCK); /* 非阻塞方式 */
int fd = open(“/dev/xxx”, O_RDWR ); /* 阻塞方式 */

open 之后设置：

int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
fcntl(fd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK); /* 非阻塞方式 */
fcntl(fd, F_SETFL, flags & ~O_NONBLOCK); /* 阻塞方式 */

驱动编程

static ssize_t drv_read(struct file *fp, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
｛if (queue_empty(&as->queue) && fp->f_flags & O_NONBLOCK)return -EAGAIN;wait_event_interruptible(apm_waitqueue, !queue_empty(&as->queue));……
｝

驱动开发原则

驱动程序程序“只提供功能，不提供策略”。就是说驱动程序可以提供休眠唤醒、查询等等各种方式，驱动程序只提供这些能力，怎么用由 APP 决定。

五、定时器

5.1、内核函数

在内核中使用定时器很简单，涉及这些函数(参考内核源码 include\linux\timer.h)：
① setup_timer(timer, fn, data)：
设置定时器，主要是初始化 timer_list 结构体，设置其中的函数、参数。
② void add_timer(struct timer_list *timer)：
向内核添加定时器。timer->expires 表示超时时间。
当超时时间到达，内核就会调用这个函数：timer->function(timer->data)。
③ int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires):
修改定时器的超时时间，
它等同于：del_timer(timer); timer->expires = expires; add_timer(timer);
但是更加高效。
④ int del_timer(struct timer_list *timer)：
删除定时器。

5.2、定时器时间单位

定时器的时间就是基于 jiffies 的，我们修改超时时间时，一般使用这 2 种方法：
① 在 add_timer 之前，直接修改：

timer.expires = jiffies + xxx; // xxx 表示多少个滴答后超时，也就是 xxx*10ms
timer.expires = jiffies + 2*HZ; // HZ 等于 CONFIG_HZ，2*HZ 就相当于 2 秒

② 在 add_timer 之后，使用 mod_timer 修改：

mod_timer(&timer, jiffies + xxx); // xxx 表示多少个滴答后超时，也就是 xxx*10ms
mod_timer(&timer, jiffies + 2*HZ); // HZ 等于 CONFIG_HZ，2*HZ 就相当于 2 秒

5.3、使用定时器处理按键抖动
按下或松开一个按键，它的 GPIO 电平会反复变化，最后才稳定。一般是几十毫秒才会稳定。如果不处理抖动的话，用户只操作一次按键，中断程序可能会上报多个数据。怎么处理？
① 在按键中断程序中，可以循环判断几十亳秒，发现电平稳定之后再上报
② 使用定时器
显然第 1 种方法太耗时，违背“中断要尽快处理”的原则，你的系统会很卡。
怎么使用定时器？看下图：
核心在于：在 GPIO 中断中并不立刻记录按键值，而是修改定时器超时时间，10ms 后再处理。
如果 10ms 内又发生了 GPIO 中断，那就认为是抖动，这时再次修改超时时间为 10ms。
只有 10ms 之内再无 GPIO 中断发生，那么定时器的函数才会被调用。
在定时器函数中记录按键值。

六、中断下半部tasklet

在前面我们介绍过中断上半部、下半部。中断的处理有几个原则：
① 不能嵌套；
② 越快越好。
在处理当前中断时，即使发生了其他中断，其他中断也不会得到处理，所以中断的处理要越快越好。但是某些中断要做的事情稍微耗时，这时可以把中断拆分为上半部、下半部。
在上半部处理紧急的事情，在上半部的处理过程中，中断是被禁止的；
在下半部处理耗时的事情，在下半部的处理过程中，中断是使能的。

6.1、内核函数
中断下半部使用结构体 tasklet_struct 来表示，它在内核源码 include\linux\interrupt.h 中定义：

struct tasklet_struct
{struct tasklet_struct *next;unsigned long state;atomic_t count;void (*func)(unsigned long);unsigned long data;
};

其中的 state 有 2 位：

① bit0 表示 TASKLET_STATE_SCHED
等于 1 时表示已经执行了 tasklet_schedule 把该 tasklet 放入队列了；tasklet_schedule 会判断该位，如果已经等于 1 那么它就不会再次把 tasklet 放入队列。
② bit1 表示 TASKLET_STATE_RUN
等于 1 时，表示正在运行 tasklet 中的 func 函数；函数执行完后内核会把该位清 0。

其中的 count 表示该 tasklet 是否使能：等于 0 表示使能了，非 0 表示被禁止了。对于 count 非 0 的tasklet，里面的 func 函数不会被执行。

使用中断下半部之前，要先实现一个 tasklet_struct 结构体，这可以用这 2 个宏来定义结构体：

#define DECLARE_TASKLET(name, func, data) \
struct tasklet_struct name = { NULL, 0, ATOMIC_INIT(0), func, data }#define DECLARE_TASKLET_DISABLED(name, func, data) \
struct tasklet_struct name = { NULL, 0, ATOMIC_INIT(1), func, data }

使用 DECLARE_TASKLET 定义的 tasklet 结构体，它是使能的；
使用 DECLARE_TASKLET_DISABLED 定义的 tasklet 结构体，它是禁止的；使用之前要先调用tasklet_enable 使能它。

也可以使用函数来初始化 tasklet 结构体：

extern void tasklet_init(struct tasklet_struct *t,void (*func)(unsigned long), unsigned long data);

使能/禁止 tasklet

static inline void tasklet_enable(struct tasklet_struct *t);
static inline void tasklet_disable(struct tasklet_struct *t);

调度 tasklet

static inline void tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t);

kill tasklet

extern void tasklet_kill(struct tasklet_struct *t);

6.2、tasklet 使用方法

先定义 tasklet，需要使用时调用 tasklet_schedule，驱动卸载前调用 tasklet_kill。
tasklet_schedule 只是把 tasklet 放入内核队列，它的 func 函数会在软件中断的执行过程中被调用。

七、工作队列

前面讲的定时器、下半部 tasklet，它们都是在中断上下文中执行，它们无法休眠。当要处理更复杂的事情时，往往更耗时。这些更耗时的工作放在定时器或是下半部中，会使得系统很卡；并且循环等待某件事情完成也太浪费 CPU 资源了。

如果使用线程来处理这些耗时的工作，那就可以解决系统卡顿的问题：因为线程可以休眠。

工作队列的应用场合：要做的事情比较耗时，甚至可能需要休眠，那么可以使用工作队列。
缺点：多个工作(函数)是在某个内核线程中依序执行的，前面函数执行很慢，就会影响到后面的函数。
在多 CPU 的系统下，一个工作队列可以有多个内核线程，可以在一定程度上缓解这个问题。

7.1、内核函数

内核线程、工作队列(workqueue)都由内核创建了，我们只是使用。使用的核心是一个 work_struct 结构体，定义如下：

使用工作队列时，步骤如下：
① 构造一个 work_struct 结构体，里面有函数；
② 把这个 work_struct 结构体放入工作队列，内核线程就会运行 work 中的函数。

定义 work

参考内核头文件：include\linux\workqueue.h

#define DECLARE_WORK(n, f) \
struct work_struct n = __WORK_INITIALIZER(n, f)
#define DECLARE_DELAYED_WORK(n, f) \
struct delayed_work n = __DELAYED_WORK_INITIALIZER(n, f, 0)

如果要在代码中初始化 work_struct 结构体，可以使用下面的宏：

#define INIT_WORK(_work, _func)

使用 work：schedule_work

调用 schedule_work 时，就会把 work_struct 结构体放入队列中，并唤醒对应的内核线程。内核线程就会从队列里把 work_struct 结构体取出来，执行里面的函数。

其他函数