嵌入式Linux应用开发-基础知识-第十九章驱动程序基石①

第十九章 驱动程序基石①

19.1 休眠与唤醒

19.1.1 适用场景

在前面引入中断时，我们曾经举过一个例子：

妈妈怎么知道卧室里小孩醒了？
① 时不时进房间看一下：查询方式
简单，但是累
② 进去房间陪小孩一起睡觉，小孩醒了会吵醒她：休眠-唤醒
不累，但是妈妈干不了活了
③ 妈妈要干很多活，但是可以陪小孩睡一会，定个闹钟：poll方式 要浪费点时间，但是可以继续干活。
妈妈要么是被小孩吵醒，要么是被闹钟吵醒。
④ 妈妈在客厅干活，小孩醒了他会自己走出房门告诉妈妈：异步通知 妈妈、小孩互不耽误

当应用程序必须等待某个事件发生，比如必须等待按键被按下时，可以使用“休眠-唤醒”机制：
① APP调用 read等函数试图读取数据，比如读取按键；
② APP进入内核态，也就是调用驱动中的对应函数，发现有数据则复制到用户空间并马上返回； ③ 如果 APP在内核态，也就是在驱动程序中发现没有数据，则 APP休眠；
④ 当有数据时，比如当按下按键时，驱动程序的中断服务程序被调用，它会记录数据、唤醒 APP；
⑤ APP继续运行它的内核态代码，也就是驱动程序中的函数，复制数据到用户空间并马上返回。

驱动中有数据时，下图中红线就是 APP1的执行过程，涉及用户态、内核态：

驱动中没有数据时，APP1在内核态执行到 drv_read时会休眠。所谓休眠就是把自己的状态改为非RUNNING，这样内核的调度器就不会让它运行。当按下按键，驱动程序中的中断服务程序被调用，它会记录数据，并唤醒 APP1。所以唤醒就是把程序的状态改为 RUNNING，这样内核的调度器有合适的时间就会让它运行。当 APP1再次运行时，就会继续执行 drv_read中剩下的代码，把数据复制回用户空间，返回用户空间。APP1的执行过程如下图的红色实线所示，它被分成了 2段：

值得注意的是，上面 2个图中红线部分都属于 APP1的“上下文”，或者这样说：红线所涉及的代码，都是 APP1调用的。但是按键的中断服务程序，不属于 APP1的“上下文”，这是突如其来的，当中断发生时，APP1正在休眠呢。
在 APP1的“上下文”，也就是在 APP1的执行过程中，它是可以休眠的。
在中断的处理过程中，也就是 gpio_key_irq的执行过程中，它不能休眠：“中断”怎么能休眠？“中断”休眠了，谁来调度其他 APP啊？
所以，请记住：在中断处理函数中，不能休眠，也就不能调用会导致休眠的函数。

19.1.2 内核函数

19.1.2.1 休眠函数

参考内核源码：include\linux\wait.h。

比较重要的参数就是：
① wq：waitqueue，等待队列
休眠时除了把程序状态改为非 RUNNING之外，还要把进程/进程放入 wq中，以后中断服务程序
要从 wq中把它取出来唤醒。
没有 wq的话，茫茫人海中，中断服务程序去哪里找到你？
② condition
这可以是一个变量，也可以是任何表达式。表示“一直等待，直到 condition为真”。

19.1.2.2 唤醒函数

参考内核源码：include\linux\wait.h。

19.1.3 驱动框架

驱动框架如下：

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。

19.1.4 编程

使用 GIT命令载后，源码位于这个目录下：

01_all_series_quickstart\ 
05_嵌入式 Linux驱动开发基础知识\source\ 
06_gpio_irq\ 
    02_read_key_irq\ 和 03_read_key_irq_circle_buffer 

03_read_key_irq_circle_buffer使用了环型缓冲区，可以避免按键丢失。

19.1.4.1 驱动程序关键代码

02_read_key_irq\gpio_key_drv.c中，要先定义“wait queue”：

41 static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(gpio_key_wait); 

在驱动的读函数里调用 wait_event_interruptible：

44 static ssize_t gpio_key_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset) 
45 { 
46      //printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__); 
47      int err; 
48 
49      wait_event_interruptible(gpio_key_wait, g_key); 
50      err = copy_to_user(buf, &g_key, 4); 
51      g_key = 0; 
52 
53      return 4; 
54 } 

第 49行并不一定会进入休眠，它会先判断 g_key是否为 TRUE。
执行到第 50行时，表示要么有了数据(g_key为 TRUE)，要么有信号等待处理(本节课程不涉及信号)。
假设 g_key等于 0，那么 APP会执行到上述代码第 49行时进入休眠状态。它被谁唤醒？被控制的中断服务程序：

64 static irqreturn_t gpio_key_isr(int irq, void *dev_id) 
65 { 
66      struct gpio_key *gpio_key = dev_id; 
67      int val; 
68      val = gpiod_get_value(gpio_key->gpiod); 
69 
70 
71      printk("key %d %d\n", gpio_key->gpio, val); 
72      g_key = (gpio_key->gpio << 8) | val; 
73      wake_up_interruptible(&gpio_key_wait); 
74 
75      return IRQ_HANDLED; 
76 } 

上述代码中，第 72行确定按键值 g_key，g_key也就变为 TRUE了。
然后在第 73行唤醒 gpio_key_wait中的第 1个线程。
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); 

19.1.4.2 应用程序

应用程序并不复杂，调用 open、read即可，代码在 button_test.c中：

25      /* 2. 打开文件 */ 
26      fd = open(argv[1], O_RDWR); 
27      if (fd == -1) 
28      { 
29              printf("can not open file %s\n", argv[1]); 
30              return -1; 
31      } 
32 
33      while (1) 
34      { 
35              /* 3. 读文件 */ 
36              read(fd, &val, 4); 
37              printf("get button : 0x%x\n", val); 
38      } 

在 33行～38行的循环中，APP基本上都是休眠状态。你可以执行 top命令查看 CPU占用率。

19.1.5 上机实验

跟上一节视频类似，需要先修改设备树，请使用上一节视频的设备树文件。
然后安装驱动程序，运行测试程序。

# insmod -f gpio_key_drv.ko 
# ls /dev/xxxxxx_gpio_key 
/dev/xxxxxx_gpio_key 
# ./button_test /dev/xxxxxx_gpio_key  & 
# top 

19.1.6 使用环形缓冲区改进驱动程序

使用 GIT命令载后，源码位于这个目录下：

01_all_series_quickstart\ 
05_嵌入式 Linux驱动开发基础知识\source\ 
06_gpio_irq\ 
    03_read_key_irq_circle_buffer 

使用环形缓冲区，可以在一定程序上避免按键数据丢失，关键代码如下：

使用环形缓冲区之后，休眠函数可以这样写：

86      wait_event_interruptible(gpio_key_wait, !is_key_buf_empty()); 87      key = get_key(); 
88      err = copy_to_user(buf, &key, 4); 

唤醒函数可以这样写：

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

19.2 POLL机制

使用 GIT命令载后，本节源码位于这个目录下：

01_all_series_quickstart\ 
05_嵌入式 Linux驱动开发基础知识\source\ 
06_gpio_irq\ 
    04_read_key_irq_poll 

19.2.1 适用场景

在前面引入中断时，我们曾经举过一个例子：

妈妈怎么知道卧室里小孩醒了？
① 时不时进房间看一下：查询方式
简单，但是累
② 进去房间陪小孩一起睡觉，小孩醒了会吵醒她：休眠-唤醒
不累，但是妈妈干不了活了
③ 妈妈要干很多活，但是可以陪小孩睡一会，定个闹钟：poll方式 要浪费点时间，但是可以继续干活。
妈妈要么是被小孩吵醒，要么是被闹钟吵醒。
④ 妈妈在客厅干活，小孩醒了他会自己走出房门告诉妈妈：异步通知 妈妈、小孩互不耽误
使用休眠-唤醒的方式等待某个事件发生时，有一个缺点：等待的时间可能很久。我们可以加上一个超时时间，这时就可以使用 poll机制。
① APP不知道驱动程序中是否有数据，可以先调用 poll函数查询一下，poll函数可以传入超时时间；
② APP进入内核态，调用到驱动程序的 poll函数，如果有数据的话立刻返回；
③ 如果发现没有数据时就休眠一段时间；
④ 当有数据时，比如当按下按键时，驱动程序的中断服务程序被调用，它会记录数据、唤醒 APP； ⑤ 当超时时间到了之后，内核也会唤醒 APP；
⑥ APP根据 poll函数的返回值就可以知道是否有数据，如果有数据就调用 read得到数据

19.2.2 使用流程

妈妈进入房间时，会先看小孩醒没醒，闹钟响之后走出房间之前又会再看小孩醒没醒。 注意：看了 2次小孩！
POLL机制也是类似的，流程如下：

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？
drv_poll还会判断一下：有没有数据啊？返回这个状态。
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：
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？
drv_poll还会判断一下：有没有数据啊？返回这个状态。

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。

19.2.3 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; 
} 

19.2.4 应用编程

注意：APP可以调用 poll或 select函数，这 2个函数的作用是一样的。 poll/select函数可以监测多个文件，可以监测多种事件：

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; 
ret = poll(fds, 1, timeout_ms); 
if ((ret == 1) && (fds[0].revents & POLLIN)) { 
 read(fd, &val, 4); 
 printf("get button : 0x%x\n", val); 
} 

19.2.5 现场编程

19.2.6 上机实验

19.2.7 POLL机制的内核代码详解

Linux APP系统调用，基本都可以在它的名字前加上“sys_”前缀，这就是它在内核中对应的函数。比如系统调用 open、read、write、poll，与之对应的内核函数为：sys_open、sys_read、sys_write、sys_poll。
对于系统调用 poll或 select，它们对应的内核函数都是 sys_poll。分析 sys_poll，即可理解 poll机制。

19.2.7.1 sys_poll函数

sys_poll位于fs/select.c文件中，代码如下：

SYSCALL_DEFINE3(poll, struct pollfd __user *, ufds, unsigned int, nfds, 
  int, timeout_msecs) 
{ 
 struct timespec64 end_time, *to = NULL; 
 int ret; 
if (timeout_msecs >= 0) { 
 to = &end_time; 
 poll_select_set_timeout(to, timeout_msecs / MSEC_PER_SEC, 
  NSEC_PER_MSEC * (timeout_msecs % MSEC_PER_SEC)); } 
 
ret = do_sys_poll(ufds, nfds, to); 
…… 

SYSCALL_DEFINE3是一个宏，它定义于 include/linux/syscalls.h，展开后就有 sys_poll函数。 sys_poll对超时参数稍作处理后，直接调用do_sys_poll。

19.2.7.2

do_sys_poll函数
do_sys_poll位于 fs/select.c文件中，我们忽略其他代码，只看关键部分：

int do_sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds, 
  struct timespec64 *end_time) 
{ 
…… 
 poll_initwait(&table); 
 fdcount = do_poll(head, &table, end_time); 
 poll_freewait(&table); 
…… 
} 

poll_initwait函数非常简单，它初始化一个 poll_wqueues变量 table：

poll_initwait 
init_poll_funcptr(&pwq->pt, __pollwait); 
pt->qproc = qproc; 

即 table->pt->qproc = __pollwait，__pollwait将在驱动的 poll函数里用到。 do_poll函数才是核心，继续看代码。

19.2.7.3

do_poll函数
do_poll函数位于 fs/select.c文件中，这是 POLL机制中最核心的代码，贴图如下：

① 从这里开始，将会导致驱动程序的 poll函数被第一次调用。
沿着②③④⑤，你可以看到：驱动程序里的 poll_wait会调用__pollwait函数把线程放入某个队列。
当执行完①之后，在⑥或⑦处，pt->_qproc被设置为 NULL，所以第二次调用驱动程序的 poll时，不会再次把线程放入某个队列里。
⑧ 如果驱动程序的 poll返回有效值，则 count非 0，跳出循环；
⑨ 否则休眠一段时间；当休眠时间到，或是被中断唤醒时，会再次循环、再次调用驱动程序的 poll。
回顾 APP的代码，APP可以指定“想等待某些事件”，poll函数返回后，可以知道“发生了哪些事件”：

驱动程序里怎么体现呢？在上上一个图中，看②位置处，细说如下：