Linux字符设备驱动-KEY-阻塞IO、非阻塞IO、信号驱动IO
1.概述
实现了按键的字符驱动，支持在应用层使用open、read、poll、select及signal函数，支持阻塞和非阻塞IO，支持异步通知IO。可以用test.c进行测试，测试命令为./test -a ，b表示阻塞读，nb表示非阻塞读，poll表示使用poll函数，select表示使用select函数，signal表示使用信号。测试结果会输出按键按下和松开的次数。
2.中断
2.1.申请中断和释放中断
对于Linux内核来说，中断是一种资源，由内核统一管理。使用中断之前必须向内核申请，使用完毕后必须释放，把资源规划给内核。驱动使用request_irq申请中断，返回值为0表示申请成功，为负值时表示错误码，使用free_irq释放中断。devm_request_irq申请的资源不需要显示的释放。
irq为要申请的虚拟中断号，handler为中断处理函数（中断上半部分）指针，irqflags与中断管理相关的位掩码，可以指定中断触发方式及处理方式，devname传递给request_irq的字符串，用来在/proc/interrupts中显示中断的拥有者，dev_id用于共享的中断信号线，驱动程序可使用它来识别那个设备产生了中断，类似于struct file中的private_data指针。
由于设备上的中断资源有限，建议在设备打开时申请中断资源，设备关闭时释放中断资源，不建议在模块初始化的时候申请中断。
include <linux/interrupt.h>
// 注册中断上半部分处理函数
// irq-软件(虚拟)中断号，不是硬件中断号。虚拟中断号是内核根据硬件中断号进行分配的，由内核管理，可通过
// irq_of_parse_and_map读取设备树中的硬件中断信息，然后返回虚拟中断号
// handler-中断处理函数，执行时间尽可能短，不能睡眠
// flags-中断标志
// name-中断名称
// dev-传递给中断处理函数handler的参数
int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags, const char *name, void *dev)
// 释放注册的中断上半部分处理函数
void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id)
// 注册中断上半部分处理函数，驱动卸载时可自动释放注册的中断上半部分处理函数
// dev-设备驱动的设备结构体
int devm_request_irq(struct device *dev, unsigned int irq, irq_handler_t handler,
unsigned long irqflags, const char *devname, void *dev_id)
// 将设备树中的硬件中断信息映射位虚拟中断号
// dev-为设备树中的设备节点
// index-为中断属性的索引号
unsigned int irq_of_parse_and_map(struct device_node *dev, int index)
#define IMX_GPIO_NR(bank, nr) (((bank) - 1) * 32 + (nr))
#include 中断处理方式标志：
#define IRQF_SHARED 0x00000080 // 共享中断
#define IRQF_PROBE_SHARED 0x00000100
#define __IRQF_TIMER 0x00000200
#define IRQF_PERCPU 0x00000400
#define IRQF_NOBALANCING 0x00000800 // 不受中断平衡影响
#define IRQF_IRQPOLL 0x00001000
#define IRQF_ONESHOT 0x00002000 // 直到中断处理线程开始执行时才取消屏蔽中断
#define IRQF_NO_SUSPEND 0x00004000
#define IRQF_FORCE_RESUME 0x00008000
#define IRQF_NO_THREAD 0x00010000
#define IRQF_EARLY_RESUME 0x00020000
#define IRQF_COND_SUSPEND 0x00040000
// 定时器中断
#define IRQF_TIMER (__IRQF_TIMER | IRQF_NO_SUSPEND | IRQF_NO_THREAD)
中断触发方式标志：
#define IRQF_TRIGGER_NONE 0x00000000 // 不指定触发方式
#define IRQF_TRIGGER_RISING 0x00000001 // 上升沿
#define IRQF_TRIGGER_FALLING 0x00000002 // 下降沿
#define IRQF_TRIGGER_HIGH 0x00000004 // 高电平
#define IRQF_TRIGGER_LOW 0x00000008 // 低电平
中断处理函数的定义为typedef irqreturn_t (*irq_handler_t)(int, void *)，第一个参数为中断号，第二个参数为调用request_irq申请中断时的dev。返回值有如下三种：
include <linux/irqreturn.h>
enum irqreturn {
IRQ_NONE = (0 << 0), // 非本设备中断
IRQ_HANDLED = (1 << 0), // 中断处理完毕
IRQ_WAKE_THREAD = (1 << 1), // 唤醒中断处理线程，用于处理中断后半部分
};
申请中断时如果需要为设备建立一个中断处理线程，需要使用request_threaded_irq或者devm_request_threaded_irq函数，handler为主处理函数，位于中断上半部分，thread_fn为中断处理线程函数，位于中断上半部分。如果中断处理函数返回IRQ_WAKE_THREAD，则会唤醒中断线程。假如handler为空，则调用默认的主处理函数irq_default_primary_handler，该函数返回IRQ_WAKE_THREAD。
include <linux/interrupt.h>
int request_threaded_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, irq_handler_t thread_fn, unsigned long flags, const char *name, void *dev);
int devm_request_threaded_irq(struct device *dev, unsigned int irq,irq_handler_t handler, irq_handler_t thread_fn,unsigned long irqflags, const char *devname,void *dev_id);
2.2.禁用中断
使用disable_irq和disable_irq_nosync禁用单个中断，前者在禁止中断之前如有中断发生则会等待中断完成，后者禁止中断并立即返回，使用enable_irq使能中断。disable_irq和disable_irq_nosync可嵌套使用，但必须和enable_irq配对。
include <linux/interrupt.h>
void disable_irq(unsigned int irq)
void disable_irq_nosync(unsigned int irq)
void enable_irq(unsigned int irq)
2.3.禁用本地CPU中断
include <linux/irqflags.h>
// 禁止当前处理器的所有中断，并保存标志
#define local_irq_save(flags) do {raw_local_irq_save(flags);} while (0)
// 使能当前处理器的所有中断，并恢复标志
#define local_irq_restore(flags) do { raw_local_irq_restore(flags); } while (0)
// 禁止当前处理器的所有中断
#define local_irq_enable() do { raw_local_irq_enable(); } while (0)
// 使能当前处理器的所有中断
#define local_irq_disable() do { raw_local_irq_disable(); } while (0)
3.内核时钟中断
内核正常运行，需要系统时钟周期性的产生中断，产生中断的频率由宏定义HZ决定，大多数平台定义范围为50-1200，ARM平台常见定义为100.如想改变系统时钟中断发生的频率，可通过修改HZ值，但修改后要重新编译内核及所有模块。
每当时钟中断发生时，内核内部计数器加一，计数器在系统引导的时候初始化为0，因此它的值为自启动以来的时钟滴答数，此计数器为jiffies_64，为64位的变量。但在驱动程序中通常访问的是jiffies，如unsigned long为64位，那么jiffies和jiffies_64相同，如unsigned long为32位，那么jiffies是jiffies_64的低32位，通常情况下访问jiffies，速度会快一点。
include <linux/jiffies.h>
u64 __jiffy_data jiffies_64;
unsigned long volatile __jiffy_data jiffies;
// 时间和jiffies的转化关系可用下面的函数实现。
// jiffies值转换为毫妙数
unsigned int jiffies_to_msecs(const unsigned long j);
// jiffies值转换为微妙数
unsigned int jiffies_to_usecs(const unsigned long j);
// 毫妙数转换为jiffies
unsigned long msecs_to_jiffies(const unsigned int m);
// 微妙数转换为jiffies
unsigned long usecs_to_jiffies(const unsigned int u);
4.内核定时器
如果需要在将来的某个时间点调度执行某个动作，同时在该时间点到达之前不会阻塞当前进程，则可以使用内核定时器。内核定时器可用来在未来的某个特定时间点（基于时钟滴答）调度执行某个函数，从而完成特定的任务。定时器基于软中断实现，定时器到期执行的函数需要满足一下几点：
（1）不允许访问用户空间。因为没有进程上下文，无法将任何特定进程与用户空间关联起来
（2）current指针在原子模式下没有任何意义，也是不可用的，因为相关代码和被中断的进程没有任何关联。
（3）不能执行休眠或调度。原子代码不可以调用schedule或者wait_event，也不能调用任何可能引起休眠的函数，如调用kmalloc(..., GFP_KERNEL)、使用信号量等。
在SMP系统中，定时器函数会由注册它的CPU执行，不会调度到其他CPU上执行，这样可以尽可能获得缓存的局域性。内核为驱动程序提供了一组用来声明、注册和删除内核定时器的函数。
include <linux/timer.h>
struct timer_list {
/* All fields that change during normal runtime grouped to the same cacheline */
unsigned long expires; // 定时器到期的jiffies值
void (*function)(unsigned long); // 定时器到期执行的函数
unsigned long data; // 定时器到期执行函数的参数
};
// 定义并初始化定时器
#define DEFINE_TIMER(_name, _function, _expires, _data) struct timer_list _name = TIMER_INITIALIZER(_function, _expires, _data)
// 初始化定时器
#define init_timer(timer) __init_timer((timer), 0)
// 注册定时器
void add_timer(struct timer_list *timer);
// 删除定时器
int del_timer(struct timer_list * timer);
// 更新定时器的到时时间
int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires);
5.阻塞型I/O
5.1.休眠
当一个进程被置入休眠状态时，它会被标记为一种特殊状态并从调度器的运行队列中移走。直到某些情乱下修改了这个状态，进程才会在任意CPU上调度，也即运行该进程。Linux设备驱动程序让一个进程进入休眠状态很容易，但以安全的方式休眠，需要记住两条规则：
（1）永远不要在原子上下文中进入休眠，原子上下文指在执行多个步骤时，不能有任何的并发访问。这意味着，不能拥有自旋锁、seqlock、或者RCU锁时休眠。如果我们已经禁止了中断，也不能休眠。在拥有信号量休眠时是合法的，但必须确保有拥有信号量的并不会阻塞最终唤醒我们自己的那个进程。
（2）当被唤醒时，永远无法知道休眠期间都发生了什么，通常也无法知道是否还有其他进程在同一事件上休眠，这个进程可能会在我们之前被唤醒并将我们等待的资源拿走。这样，我们对唤醒之后的状态不能做任何假设，因此必须检查以确保我们等待的条件真正为真。
5.2.等待队列
Linux使用等待队列管理休眠的进程，一个等待队列通过一个“等待队列头”来管理。
include <linux/wait.h>
// 等待队列头类型
typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;
// 定义一个等待队列头并初始化
#define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) wait_queue_head_t name = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name)
// 初始化一个等待队列头，q为等待队列头的指针
init_waitqueue_head(q)
// 定义一个等待队列项并初始化，tsk表示属于那个进程，一般直接设置为current
DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk)
// 向等待队列头添加等待队列项
void add_wait_queue(wait_queue_head_t* q, wait_queue_t* wait)
// 从等待队列头中移除等待队列项
void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait)
5.3.休眠方法
Linux内核中最简单的休眠方法是使用wait_event宏，在实现休眠的同时，也检查进程等待的条件。wq为等待队列头，值传递，condition为布尔表达式，表达式结果为假继续休眠，该条件可能会被多次求值，timeout为超时时间。
include <linux/wait.h>
// 不可中断休眠
#define wait_event(wq, condition)
// 可中断休眠（可被信号中断），返回值非0时表示被某个信号中断
#define wait_event_interruptible(wq, condition)
// 有限时间不可中断休眠，超时时间到期不管条件真假都返回，此时返回0
#define wait_event_timeout(wq, condition, timeout)
// 有限时间可中断休眠，超时时间到期不管条件真假都返回，此时返回0，
// 返回值非0时表示被某个信号中断
#define wait_event_interruptible_timeout(wq, condition, timeout)
5.4.唤醒方法
进程可以休眠，也必须可以唤醒，用来唤醒的基本函数是wake_up。x为等待队列头的指针。
// 唤醒给定等待队列上的所有非独占休眠进程
#define wake_up(x)
// 唤醒给定等待队列上的可中断的非独占休眠进程
#define wake_up_interruptible(x)
5.5.阻塞和非阻塞操作
Linux I/O操作默认是阻塞的。如果应用想非阻塞调用，必须显出的指出，可在open设备的时候通过O_NONBLOCK标志决定，此标志在O_NONBLOCK标志，系统调用会立刻返回，不管调用是否成功。驱动程序中，可通过检测O_NONBLOCK标志，确定应用调用的是阻塞IO还是非阻塞IO，然后采取不同的措施。
使用非阻塞的I/O的应用程序也经常使用poll、select和epoll系统调用。poll、select和epoll的功能本质上是一致的，都允许进程对一个或者多个打开的文件做非阻塞的读取或写入，这些调用本身会阻塞，直到给定的文件描述符集合中的任何一个可读取或者可写入。上述系统调用需要设备驱动程序支持，所有三个系统调用均通过驱动程序的poll方法提供，原型如下，位于struct file_operations结构体中。
include <linux/fs.h>
unsigned int (*poll) (struct file *, struct poll_table_struct *);
poll函数分为两步处理：
（1）在一个或多个可指示poll状态变化的等待队列上调用poll_wait。如果当前没有文件描述符可用来执行I/O，则内核将使进程在传递该系统调用的所有文件描述符对应的等待队列上等待。
（2）返回一个用来描述操作是否可以立即无阻塞执行的位验码。
驱动程序中，需要调用poll_wait函数，将等待队列添加到poll_table结构中。filp 为文件指针，wait_address为等待队列头指针，p为poll_table结构指针。
include <linux/poll.h>
void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p)
typedef struct poll_table_struct {
poll_queue_proc _qproc;
unsigned long _key;
} poll_table; // struct poll_table_struct与poll_table一样
#define POLLIN 0x0001 // 设备可以无阻塞的读取
#define POLLRDNORM 0x0002 // 数据已经就绪，可以读取，可与POLLIN一起使用
#define POLLOUT 0x0004 // 设备可以无阻塞低写入
#define POLLERR 0x0008 // 设备发生了错误
#define POLLHUP 0x0010 // 读取设备的进程到达了文件尾
#define POLLWRNORM 0x0020 // 数据已经就绪，可以写入，可与POLLOUT一起使用
6.信号驱动
read、write、poll、select和epoll等系统调用属于同步系统调用，都是应用主动调用系统调用进入内核，轮询资源是否可用。在有些情况下，这种轮询方式并不合适。异步通知不需要应用主动轮询，只要做一些设置，在资源可用时，应用会收到信号。
include <linux/fs.h>
// struct file_operations结构体成员，需要驱动实现此函数
int (*fasync) (int, struct file *, int);
// 当应用修改打开文件的FASYNC标志，就会调用此函数从相关的进程列表中增加或删除文件
// 直白的说驱动程序调用此函数记录信号发给谁
int fasync_helper(int, struct file *, int, struct fasync_struct **);
// 发出信号，通知所有相关进程，驱动程序一般在中断中调用此函数
void kill_fasync(struct fasync_struct **, int, int);
7.字符设备驱动源码
/*===========================my_key.h================================*/
#include 8.测试程序源码
#include