Linux的fasync驱动异步通知详解
工作项目用有个需求是监测某个GPIO输入方波的频率！通俗的讲就是一个最最简单的测方波频率的示波器！不过只是测方波的频率！频率范围是0~200HZ,而且频率方波不是一直都是200HZ，大多数的时候可能一直是0或者一个更低频率的方波！同时要考虑到方波有可能一直维持在200HZ ，同时保持效率和性能的情况下，fasync驱动异步通知是个不错的选择，当初写demo的时候实测1K的方波完全没有问题！应用到项目中也是完全能满足需求！驱动很简单！业余时间把自己之前学到的知识总结一下！对自己也是个提高！
根据需求，驱动中实现比较简单！自己只实现open、close、fasync和read函数 ，这里只需要读取方波的频率即可！
驱动大概实现原理：方波每产生一个下降沿，产生一个中断，然后根据中断在通过异步通知应用程序，以此来测定输入方波的频率！
fansync机制的优势是能使驱动的读写和应用程序的读写分开，使得应用程序可以在驱动读写的时候去做别的事情！
下面是驱动的源码：
**-------File Info---------------------------------------------------------------------------------------
** File Name: gpioInt.c
** Latest modified Data: 2015_11_16
** Latest Version: v1.0
** Description: NOME
**
**--------------------------------------------------------------------------------------------------------
** Create By: K
** Create date: 20015-11-16
** Version: v1.0
** Descriptions: 混杂设备驱动程序 GPIO中断驱动 下降沿触发GPIO 内核会向用户空间发送一个键值
** 用户态的应用程序通过读取键值来判断GPIO中断状况
**
**--------------------------------------------------------------------------------------------------------
*********************************************************************************************************/
#include<linux/init.h>
#include<linux/module.h>
#include<mach/gpio.h>
#include<asm/io.h>
#include"mach/../../mx28_pins.h"
#include <mach/pinctrl.h>
#include "mach/mx28.h"
#include<linux/fs.h>
#include <linux/io.h>
#include<asm/uaccess.h>
#include<linux/miscdevice.h>
#include<linux/irq.h>
#include<linux/sched.h>
#include<linux/interrupt.h>
#include<linux/timer.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>
/*
*中断事件标志，中断服务程序将它置1，在gpio_drv_read将它清0
*/
static volatile int ev_press = 0;
/*
*异步结构体指针 用于读
*/
static struct fasync_struct *b_async;
/*
*中断引脚描述结构体
*/
struct pin_desc_s{
unsigned int pin;
unsigned int key_val;
unsigned int irq;
};
static unsigned char key_val;
struct pin_desc_s pin_desc[5] = {
{MXS_PIN_TO_GPIO(PINID_LCD_ENABLE),0x03,}, /* IO1 rain GPIO1_31 */
{MXS_PIN_TO_GPIO(PINID_LCD_HSYNC),0x05,}, /* IO2 windspeed GPIO1_29*/
{MXS_PIN_TO_GPIO(PINID_LCD_DOTCK),0x0A,}, /* 机箱门 */
{MXS_PIN_TO_GPIO(PINID_AUART3_RX),0x07,}, /* key1 GPIO3_12 */
{MXS_PIN_TO_GPIO(PINID_AUART3_TX),0x09,}, /* key2 GPIO3_13 */
};
static DECLARE_MUTEX(b_lock);
static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(b_waitq);
static irqreturn_t b_irq(int irq, void *dev_id)
{
struct pin_desc_s * pindesc = (struct pin_desc_s *)dev_id;
unsigned int pinval;
pinval = gpio_get_value(pindesc->pin);
if (pinval)
{
key_val = 1;
}
else
{
key_val = pindesc->key_val;
}
ev_press = 1;
wake_up_interruptible(&b_waitq); //唤醒等待队列里面的进程
kill_fasync(&b_async, SIGIO, POLL_IN); //异步通知
//printk("interrupt occur..........\n");
return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);
}
static int gpio_drv_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
int iRet[5]={0};
int i = 0;
if (file->f_flags & O_NONBLOCK)
{
if (down_trylock(&b_lock))
return -EBUSY;
}
else
{
down(&b_lock);
}
for(i = 0; i < 5; i++)
{
gpio_direction_input((pin_desc[i]).pin);
(pin_desc[i]).irq = gpio_to_irq((pin_desc[i]).pin);
if ((pin_desc[i]).irq)
disable_irq((pin_desc[i]).irq);
set_irq_type((pin_desc[i]).irq, IRQF_TRIGGER_FALLING); //下降沿中断
iRet[i] = request_irq((pin_desc[i]).irq, buttons_irq, IRQF_SHARED, "gpio_int", &pin_desc[i]);
if (iRet[i] != 0){
printk("request irq failed!! ret: %d irq:%d \n", iRet[i],(pin_desc[i]).irq);
return -EBUSY;}
}
return 0;
}
ssize_t gpio_drv_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
if (size != 1)
return -EINVAL;
if (file->f_flags & O_NONBLOCK)
{
if (!ev_press)
return -EAGAIN;
}
else
{
wait_event_interruptible(b_waitq, ev_press);
}
copy_to_user(buf, &key_val, 1);
ev_press = 0;
return 1;
}
int gpio_drv_close(struct inode *inode, struct file *file)
{
int i = 0;
for( i = 0; i < 5; i++)
{
free_irq((pin_desc[i]).irq, &pin_desc[i]);
}
up(&b_lock);
return 0;
}
static int gpio_drv_fasync (int fd, struct file *filp, int on)
{
printk("driver: gpio_drv_successful\n");
return fasync_helper (fd, filp, on, &b_async);
}
static struct file_operations gpio_drv_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = gpio_drv_open,
.read = gpio_drv_read,
.release = gpio_drv_close,
.fasync = gpio_drv_fasync,
};
static struct miscdevice b_miscdev =
{
.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
.name = "magic-gpio",
.fops = &gpio_drv_fops,
};
static int __init gpio_drv_init(void)
{
int iRet=0;
printk("gpio_miscdev module init!\n");
iRet = misc_register(&b_miscdev);
if (iRet) {
printk("register failed!\n");
}
return 0;
}
static void __exit gpio_drv_exit(void)
{
printk("gpio_miscdev module exit!\n");
misc_deregister(&b_miscdev);
}
module_init(gpio_drv_init);
module_exit(gpio_drv_exit);
MODULE_AUTHOR("HEHAI & RK");
MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
MODULE_DESCRIPTION("gpio interrupt module");
首先还是先从init函数来总结：该驱动是一混杂设备驱动模型来写的，这个主要是借鉴网上的好多资料都是一这种模式来写的，Linux里面misc混杂设备驱动的主设备号是为10的驱动设备，init模块首先是用 misc_register()函数注册一个一个混杂设备驱动，参数一个混杂设备驱动里面非常重要的一个数据结构 struct miscdevice,下面把原型贴出来：
struct miscdevice {
int minor;
const char *name;
const struct file_operations *fops;
struct list_head list;
struct device *parent;
struct device *this_device;
const char *nodename;
mode_t mode;
};当然我上面的驱动代码只初始化了前面的关键三项：
static struct miscdevice b_miscdev =
{
.minor = MISC_DYNAMIC_MINOR,
.name = "magic-gpio",
.fops = &gpio_drv_fops,
};
这里先说说 .minor这个成员：定义次设备号的，这里使用了一个MISC_DYNAMIC_MINOR宏！ 这个宏的意思就是动态分配次设备号！而且这个次设备号不会超过64！实现的方法比较巧妙！这里贴出一篇相关的文章：
http://blog.csdn.net/yongan1006/article/details/6778285 这个可以研究一下，还比较有意思！
剩下的两个name 和 fops成员对驱动开发来说就最熟悉不过了！驱动的名字和驱动的接口函数这里就不说了！
注册混杂设备驱动后就是接口函数的表演了！
这里和内核硬件相关的就是struct pin_desc_s 结构了，硬件的初始化工作比较简单，放在open函数里面了！
struct pin_desc_s pin_desc[5] = {
{MXS_PIN_TO_GPIO(PINID_LCD_ENABLE),0x03,}, /* IO1 rain GPIO1_31 */
{MXS_PIN_TO_GPIO(PINID_LCD_HSYNC),0x05,}, /* IO2 windspeed GPIO1_29*/
{MXS_PIN_TO_GPIO(PINID_LCD_DOTCK),0x0A,}, /* 机箱门 */
{MXS_PIN_TO_GPIO(PINID_AUART3_RX),0x07,}, /* key1 GPIO3_12 */
{MXS_PIN_TO_GPIO(PINID_AUART3_TX),0x09,}, /* key2 GPIO3_13 */
};
这里把好几个gpio接口都放到这一个里面了！都是后边加进去的！上面的是直接根据文档在内核头文件中找到GPIO引脚对应的宏定义的！后边是给GPIO设置的键值！就是当应用程序收到一个signal后，根据读取到的键值来区分是哪一个GPIO发生了中断或是有信号传过来！看看open函数：
static int gpio_drv_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
int iRet[5]={0};
int i = 0;
if (file->f_flags & O_NONBLOCK)//非阻塞
{
if (down_trylock(&b_lock))
return -EBUSY;
}
else
{
down(&b_lock);
}
for(i = 0; i < 5; i++)
{
gpio_direction_input((pin_desc[i]).pin);//设置对应的GPIO输入
(pin_desc[i]).irq = gpio_to_irq((pin_desc[i]).pin);//把GPIO对应的pin值转换为相应的IRQ值并返回
if ((pin_desc[i]).irq)
disable_irq((pin_desc[i]).irq);//先关闭中断并等待中断处理完
set_irq_type((pin_desc[i]).irq, IRQF_TRIGGER_FALLING); //设置下降沿中断
iRet[i] = request_irq((pin_desc[i]).irq, b_irq, IRQF_SHARED, "gpio_int", &pin_desc[i]);
if (iRet[i] != 0){
printk("request irq failed!! ret: %d irq:%d \n", iRet[i],(pin_desc[i]).irq);
return -EBUSY;}
}
return 0;
}
request_irq函数：http://blog.csdn.net/wealoong/article/details/7566546
说说上面的request_irq函数了：
int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,
unsigned long irqflags, const char *devname, void *dev_id)
irq是要申请的硬件中断号。
handler是向系统注册的中断处理函数，是一个回调函数，中断发生时，系统调用这个函数，dev_id参数将被传递给它。
irqflags是中断处理的属性，SA_SHARED表示多个设备共享中断，
devname设置中断名称，通常是设备驱动程序的名称 在cat /proc/interrupts中可以看到此名称。
dev_id在中断共享时会用到，一般设置为这个设备的设备结构体或者NULL。
request_irq()返回0表示成功，返回-INVAL表示中断号无效或处理函数指针为NULL，返回-EBUSY表示中断已经被占用且不能共享。
这里用到回调函数b_irq函数就是根据响应的GPIO中断返回设置好的相应的值，这样应用程序在得到这个值的时候就可以知道是哪个GPIO发送的中断！
b_irq函数：
static irqreturn_t b_irq(int irq, void *dev_id)
{
struct pin_desc_s * pindesc = (struct pin_desc_s *)dev_id;
unsigned int pinval;
pinval = gpio_get_value(pindesc->pin);
if (pinval)
{
key_val = 1;
}
else
{
key_val = pindesc->key_val;
}
ev_press = 1;
wake_up_interruptible(&b_waitq); //唤醒等待队列里面的进程
kill_fasync(&b_async, SIGIO, POLL_IN); //异步通知
//printk("interrupt occur..........\n");
return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);
}其中上面的b_waitq是这样定义的：
static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(b_waitq);//生成一个等待队列的头 名字为b_waitq关于等待队列可以看下这篇文章： http://www.cnblogs.com/xmphoenix/archive/2011/11/20/2256419.html
其实这里有一个很关键的地方就是kill_fasync异步通知应用程序。这里有很关键的一步，可以说是整个驱动程序的核心：kill_fasync 及 fasync_helper用于异步通知中，其中 kill_fasync(&b_async,SIGIO,POLL_IN)函数的功能是向应用程序发送可读信号，还有那个进程调用fasync_helper函数就向谁发！这个可以结合应用程序是如何拿到信号的对比着看，关于应用程序这里就不说了！网上的资料也比较多讲解的也很详细！例程代码还有理论分析都有！
fansync_helpr函数内部实现：
int fasync_helper(int fd, struct file * filp, int on, struct fasync_struct **fapp)
{
struct fasync_struct *fa, **fp;
struct fasync_struct *new = NULL;
int result = 0;
if (on) {
new = kmem_cache_alloc(fasync_cache, GFP_KERNEL);
if (!new)
return -ENOMEM;
}
write_lock_irq(&fasync_lock);
for (fp = fapp; (fa = *fp) != NULL; fp = &fa->fa_next) {
if (fa->fa_file == filp) {
if(on) {
fa->fa_fd = fd; //区分向谁发
kmem_cache_free(fasync_cache, new);
} else {
*fp = fa->fa_next;
kmem_cache_free(fasync_cache, fa);
result = 1;
}
goto out;
}
}
if (on) {
new->magic = FASYNC_MAGIC;
new->fa_file = filp;
new->fa_fd = fd;
new->fa_next = *fapp;
*fapp = new;
result = 1;
}
out:
write_unlock_irq(&fasync_lock);
return result;
}kill_fasync函数里面的b_async参数：struct fasync_struct类型定义：
struct fasync_struct {
int magic;
int fa_fd;
struct fasync_struct *fa_next;
struct file *fa_file;
};这个参数在下面中也被调用：实现的fasync成员函数
static int gpio_drv_fasync (int fd, struct file *filp, int on)
{
printk("driver: gpio_drv_successful\n");
return fasync_helper (fd, filp, on, &b_async);
}这也是应用程序和内核之间传参的一个关键：
要实现传参，我们需要把一个结构体struct fasync_struct添加到内核的异步队列中，这个结构体用来存放对应设备文件的信息(如fd, filp)并交给内核来管理。一但收到信号，内核就会在这个所谓的异步队列头找到相应的文件(fd)，并在filp->owner中找到对应的进程PID，并且调用对应的sig_handler了。
关于剩下的程序中用到的down() 、up() 还有 DECILARE_MUTEX(b_lock)这里简单的用到了信号量的两个简单的操作，主要是用于保护临界资源，保证中断不被丢失！
剩下的read和close都比较简单，驱动里面的函数基本都是对应的，close里面一把是释放所有申请的资源！这也是模块化驱动的一个好处！虽然这个驱动很简单！但是要仔细深究起来，里面所涉及的知识量也不小！上面也只是简单的分析总结一下！做个笔记算是对自己的一个提高，也别人在参考的时候能有一点点的帮助！
最近住的地方没网！感觉好长时间没写博客了！现在业余时间看linux驱动设备详解，哈哈，比一年多前看的效果好多了，至少书上的好多知识多多少少都接触过！而且看起来还比较有收获，就是看了就忘！看来总结还是相当重要的！好记性不如烂笔头！