linux异步通知实验
一、异步通知简介
中断是处理器提供的一种异步机制，配置好中断后就可以让处理器去处理其他的事情，当中断发生以后会执行中断服务函数，在中断服务函数中做具体的处理。
Linux 应用程序可以通过阻塞或者非阻塞两种方式来访问驱动设备，通过阻塞方式访问，应用程序会处于休眠态，等待驱动设备可以使用。非阻塞方式会通过 poll 函数来不断的轮询，查看驱动设备文件是否可以使用。这两种方式都需要应用程序主动去查询设备的使用情况。如果能提供一种中断机制，驱动程序能主动向应用程序发出通知，驱动通知应用可以访问，然后应用程序在从驱动程序中读取或写入数据。Linux 提供了异步通知机制来完成此功能。
信号类似于硬件上使用的中断，区别是信号是在软件层次上对中断的一种模拟，驱动可以通过主动向应用程序发送信号的方式通知可以访问，应用程序获取到信号后就可以从驱动设备中读取或者写入数据。整个过程相当于应用程序收到驱动发送过来的一个中断，然后应用程序去响应这个中断，在整个处理过程中应用程序并没有去查询驱动设备是否可以访问，一切都是由驱动设备通知给应用程序的。
异步通知的核心是信号，在 arch/xtensa/include/uapi/asm/signal.h 文件中定义了 Linux 所支持的所有信号，部分信号如下
#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 SIGIO 29 /* 可以进行输入/输出操作 */
#define SIGPOLL SIGIO
/* #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 */这些信号中，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。信号相当于中断号，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。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。这里只需要注意SIGIO信号即可。
二、应用程序异步通知
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。
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler)
signum：要设置处理函数的信号
handler： 信号的处理函数
返回值： 设置成功返回信号的前一个处理函数，设置失败的话返回 SIG_ERR。
信号中断处理函数
typedef void (*sighandler_t)(int)2.将本应用程序的进程号告诉给内核
fcntl系统调用可以用来对已打开的文件描述符进行各种控制操作以改变已打开文件的的各种属性
#include
#include
int fcntl(int fd, int cmd);
int fcntl(int fd, int cmd, long arg);
int fcntl(int fd, int cmd, struct flock *lock); fcntl函数功能依据cmd的值的不同而不同和ioctl()一样的。
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 */
//主要是通过 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。三、驱动程序异步通知
内核要使用异步通知需要在驱动程序中定义一个 fasync_struct 结构体指针变量
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;
};struct fasync_struct *async_queue; /* 异步相关结构体 */
一般将 fasync_struct 结构体指针变量定义到设备结构体中即可。
然后需要在设备驱动中实现 file_operations 操作集中的 fasync 函数。
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
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，驱动程序file_operations 操作集中的 fasync 函数就会执行。
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
void kill_fasync(struct fasync_struct **fp, int sig, int band)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
最后，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 的释放函数为 fasync_helper。
xxx_fasync(-1, filp, 0); /* 删除异步通知 */
xxx_fasync 函数就是file_operations 操作集中的 fasync 函数。
异步通知驱动模板
struct xxx_dev {
......
struct fasync_struct *async_queue; /* 异步相关结构体 */
};
//初始化 fasync_struct 结构体
static int xxx_fasync(int fd, struct file *filp, int on)
{
struct xxx_dev *dev = (xxx_dev)filp->private_data;
if (fasync_helper(fd, filp, on, &dev->async_queue) < 0)
return -EIO;
return 0;
}
//释放fasync_struct 结构体
static int xxx_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return xxx_fasync(-1, filp, 0); /* 删除异步通知 */
}
static struct file_operations xxx_ops = {
......
.fasync = xxx_fasync,
.release = xxx_release,
......
};发生信号只需要使用kill_fasync()函数在合适的地方(中断)调用即可。
阻塞、非阻塞、异步通知，这三种是针对不同的场合提出来的不同的解决方法，在实际的工作和学习中，根据自己的实际需求选择合适的处理方法即可。
程序驱动编写
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define IMX6UIRQ_CNT 1 /* 设备号个数 */
#define IMX6UIRQ_NAME "asyncnoti" /* 名字 */
#define KEY0VALUE 0X01 /* KEY0按键值 */
#define INVAKEY 0XFF /* 无效的按键值 */
#define KEY_NUM 1 /* 按键数量 */
/* 中断IO描述结构体 */
struct irq_keydesc {
int gpio; /* gpio */
int irqnum; /* 中断号 */
unsigned char value; /* 按键对应的键值 */
char name[10]; /* 名字 */
irqreturn_t (*handler)(int, void *); /* 中断服务函数 */
};
/* imx6uirq设备结构体 */
struct imx6uirq_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 */
atomic_t keyvalue; /* 有效的按键键值 */
atomic_t releasekey; /* 标记是否完成一次完成的按键，包括按下和释放 */
struct timer_list timer;/* 定义一个定时器*/
struct irq_keydesc irqkeydesc[KEY_NUM]; /* 按键init述数组 */
unsigned char curkeynum; /* 当前init按键号 */
wait_queue_head_t r_wait; /* 读等待队列头 */
struct fasync_struct *async_queue; /* 异步相关结构体 */
};
struct imx6uirq_dev imx6uirq; /* irq设备 */
static irqreturn_t key0_handler(int irq, void *dev_id)
{
struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev*)dev_id;
dev->curkeynum = 0;
dev->timer.data = (volatile long)dev_id;
mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(10)); /* 10ms定时 */
return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);
}
void timer_function(unsigned long arg)
{
unsigned char value;
unsigned char num;
struct irq_keydesc *keydesc;
struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev *)arg;
num = dev->curkeynum;
keydesc = &dev->irqkeydesc[num];
value = gpio_get_value(keydesc->gpio); /* 读取IO值 */
if(value == 0){ /* 按下按键 */
atomic_set(&dev->keyvalue, keydesc->value);
}
else{ /* 按键松开 */
atomic_set(&dev->keyvalue, 0x80 | keydesc->value);
atomic_set(&dev->releasekey, 1); /* 标记松开按键，即完成一次完整的按键过程 */
}
if(atomic_read(&dev->releasekey)) { /* 一次完整的按键过程 */
if(dev->async_queue)
kill_fasync(&dev->async_queue, SIGIO, POLL_IN); /* 释放SIGIO信号 */
}
#if 0
/* 唤醒进程 */
if(atomic_read(&dev->releasekey)) { /* 完成一次按键过程 */
/* wake_up(&dev->r_wait); */
wake_up_interruptible(&dev->r_wait);
}
#endif
}
static int keyio_init(void)
{
unsigned char i = 0;
char name[10];
int ret = 0;
imx6uirq.nd = of_find_node_by_path("/key");
if (imx6uirq.nd== NULL){
printk("key node not find!\r\n");
return -EINVAL;
}
/* 提取GPIO */
for (i = 0; i < KEY_NUM; i++) {
imx6uirq.irqkeydesc[i].gpio = of_get_named_gpio(imx6uirq.nd ,"key-gpio", i);
if (imx6uirq.irqkeydesc[i].gpio < 0) {
printk("can't get key%d\r\n", i);
}
}
/* 初始化key所使用的IO，并且设置成中断模式 */
for (i = 0; i < KEY_NUM; i++) {
memset(imx6uirq.irqkeydesc[i].name, 0, sizeof(name)); /* 缓冲区清零 */
sprintf(imx6uirq.irqkeydesc[i].name, "KEY%d", i); /* 组合名字 */
gpio_request(imx6uirq.irqkeydesc[i].gpio, name);
gpio_direction_input(imx6uirq.irqkeydesc[i].gpio);
imx6uirq.irqkeydesc[i].irqnum = irq_of_parse_and_map(imx6uirq.nd, i);
#if 0
imx6uirq.irqkeydesc[i].irqnum = gpio_to_irq(imx6uirq.irqkeydesc[i].gpio);
#endif
}
/* 申请中断 */
imx6uirq.irqkeydesc[0].handler = key0_handler;
imx6uirq.irqkeydesc[0].value = KEY0VALUE;
for (i = 0; i < KEY_NUM; i++) {
ret = request_irq(imx6uirq.irqkeydesc[i].irqnum, imx6uirq.irqkeydesc[i].handler,
IRQF_TRIGGER_FALLING|IRQF_TRIGGER_RISING, imx6uirq.irqkeydesc[i].name, &imx6uirq);
if(ret < 0){
printk("irq %d request failed!\r\n", imx6uirq.irqkeydesc[i].irqnum);
return -EFAULT;
}
}
/* 创建定时器 */
init_timer(&imx6uirq.timer);
imx6uirq.timer.function = timer_function;
/* 初始化等待队列头 */
init_waitqueue_head(&imx6uirq.r_wait);
return 0;
}
static int imx6uirq_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
filp->private_data = &imx6uirq; /* 设置私有数据 */
return 0;
}
static ssize_t imx6uirq_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
int ret = 0;
unsigned char keyvalue = 0;
unsigned char releasekey = 0;
struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev *)filp->private_data;
if (filp->f_flags & O_NONBLOCK) { /* 非阻塞访问 */
if(atomic_read(&dev->releasekey) == 0) /* 没有按键按下，返回-EAGAIN */
return -EAGAIN;
} else { /* 阻塞访问 */
/* 加入等待队列，等待被唤醒,也就是有按键按下 */
ret = wait_event_interruptible(dev->r_wait, atomic_read(&dev->releasekey));
if (ret) {
goto wait_error;
}
}
keyvalue = atomic_read(&dev->keyvalue);
releasekey = atomic_read(&dev->releasekey);
if (releasekey) { /* 有按键按下 */
if (keyvalue & 0x80) {
keyvalue &= ~0x80;
ret = copy_to_user(buf, &keyvalue, sizeof(keyvalue));
} else {
goto data_error;
}
atomic_set(&dev->releasekey, 0);/* 按下标志清零 */
} else {
goto data_error;
}
return 0;
wait_error:
return ret;
data_error:
return -EINVAL;
}
unsigned int imx6uirq_poll(struct file *filp, struct poll_table_struct *wait)
{
unsigned int mask = 0;
struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev *)filp->private_data;
poll_wait(filp, &dev->r_wait, wait); /* 将等待队列头添加到poll_table中 */
if(atomic_read(&dev->releasekey)) { /* 按键按下 */
mask = POLLIN | POLLRDNORM; /* 返回PLLIN */
}
return mask;
}
static int imx6uirq_fasync(int fd, struct file *filp, int on)
{
struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev *)filp->private_data;
return fasync_helper(fd, filp, on, &dev->async_queue);
}
static int imx6uirq_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return imx6uirq_fasync(-1, filp, 0);
}
/* 设备操作函数 */
static struct file_operations imx6uirq_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = imx6uirq_open,
.read = imx6uirq_read,
.poll = imx6uirq_poll,
.fasync = imx6uirq_fasync,
.release = imx6uirq_release,
};
static int __init imx6uirq_init(void)
{
/* 1、构建设备号 */
if (imx6uirq.major) {
imx6uirq.devid = MKDEV(imx6uirq.major, 0);
register_chrdev_region(imx6uirq.devid, IMX6UIRQ_CNT, IMX6UIRQ_NAME);
} else {
alloc_chrdev_region(&imx6uirq.devid, 0, IMX6UIRQ_CNT, IMX6UIRQ_NAME);
imx6uirq.major = MAJOR(imx6uirq.devid);
imx6uirq.minor = MINOR(imx6uirq.devid);
}
/* 2、注册字符设备 */
cdev_init(&imx6uirq.cdev, &imx6uirq_fops);
cdev_add(&imx6uirq.cdev, imx6uirq.devid, IMX6UIRQ_CNT);
/* 3、创建类 */
imx6uirq.class = class_create(THIS_MODULE, IMX6UIRQ_NAME);
if (IS_ERR(imx6uirq.class)) {
return PTR_ERR(imx6uirq.class);
}
/* 4、创建设备 */
imx6uirq.device = device_create(imx6uirq.class, NULL, imx6uirq.devid, NULL, IMX6UIRQ_NAME);
if (IS_ERR(imx6uirq.device)) {
return PTR_ERR(imx6uirq.device);
}
/* 5、始化按键 */
atomic_set(&imx6uirq.keyvalue, INVAKEY);
atomic_set(&imx6uirq.releasekey, 0);
keyio_init();
return 0;
}
static void __exit imx6uirq_exit(void)
{
unsigned i = 0;
/* 删除定时器 */
del_timer_sync(&imx6uirq.timer); /* 删除定时器 */
/* 释放中断 */
for (i = 0; i < KEY_NUM; i++) {
free_irq(imx6uirq.irqkeydesc[i].irqnum, &imx6uirq);
gpio_free(imx6uirq.irqkeydesc[i].gpio);
}
cdev_del(&imx6uirq.cdev);
unregister_chrdev_region(imx6uirq.devid, IMX6UIRQ_CNT);
device_destroy(imx6uirq.class, imx6uirq.devid);
class_destroy(imx6uirq.class);
}
module_init(imx6uirq_init);
module_exit(imx6uirq_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
编写测试 APP
#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#include "poll.h"
#include "sys/select.h"
#include "sys/time.h"
#include "linux/ioctl.h"
#include "signal.h"
static int fd = 0; /* 文件描述符 */
static void sigio_signal_func(int signum)
{
int err = 0;
unsigned int keyvalue = 0;
err = read(fd, &keyvalue, sizeof(keyvalue));
if(err < 0) {
/* 读取错误 */
} else {
printf("sigio signal! key value=%d\r\n", keyvalue);
}
}
int main(int argc, char *argv[])
{
int flags = 0;
char *filename;
if (argc != 2) {
printf("Error Usage!\r\n");
return -1;
}
filename = argv[1];
fd = open(filename, O_RDWR);
if (fd < 0) {
printf("Can't open file %s\r\n", filename);
return -1;
}
/* 设置信号SIGIO的处理函数 */
signal(SIGIO, sigio_signal_func);
fcntl(fd, F_SETOWN, getpid()); /* 设置当前进程接收SIGIO信号 */
flags = fcntl(fd, F_GETFL); /* 获取当前的进程状态 */
fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC); /* 设置进程启用异步通知功能 */
while(1) {
sleep(2);
}
close(fd);
return 0;
}运行测试
进入到目录 lib/modules/4.1.15 中，输入如下命令 加载 asyncnoti.ko 驱动模块：
depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe asyncnoti.ko //加载驱动
驱动加载成功以后使用如下命令来测试中断：
./asyncnotiApp /dev/asyncnoti
按下开发板上的 KEY0 键，终端就会输出按键值
