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Linux驱动开发基础__休眠与唤醒

2023-05-16

目录

1 适用场景

2 内核函数

2.1 休眠函数

2.2 唤醒函数

3 驱动框架

4 编程

 4.1 gpio_key_drv.c

4.2 button_test.c

 4.3 Makefile

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？ 
休眠-唤醒：进去房间陪小孩一起睡觉，小孩醒了会吵醒她  不累，但是妈妈干不了活了 
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： 

  • APP 调用 read 等函数试图读取数据，比如读取按键； 
  • 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； 
  • 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； 
  • 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； 
  • 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。 

2 内核函数

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： 

 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？ 

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”。 

2.2 唤醒函数

参考内核源码：include\linux\wait.h。 

 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： 

  • 初始化 wq 队列 
  • 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。 
  • 在中断服务程序里： 设置 event 为 TRUE，并调用 wake_up_interruptible 唤醒线程。 

4 编程

 4.1 gpio_key_drv.c

#include <linux/module.h>

#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/of_irq.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/irq.h>
#include <linux/slab.h>


struct gpio_key{
	int gpio;
	struct gpio_desc *gpiod;
	int flag;
	int irq;
} ;

static struct gpio_key *gpio_keys_100ask;

/* 主设备号                                                                 */
static int major = 0;
static struct class *gpio_key_class;

static int g_key = 0;

static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(gpio_key_wait);

/* 实现对应的open/read/write等函数，填入file_operations结构体                   */
static ssize_t gpio_key_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	//printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	int err;
	
	wait_event_interruptible(gpio_key_wait, g_key);
	err = copy_to_user(buf, &g_key, 4);
	g_key = 0;
	
	return 4;
}


/* 定义自己的file_operations结构体                                              */
static struct file_operations gpio_key_drv = {
	.owner	 = THIS_MODULE,
	.read    = gpio_key_drv_read,
};


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;
	wake_up_interruptible(&gpio_key_wait);
	
	return IRQ_HANDLED;
}

/* 1. 从platform_device获得GPIO
 * 2. gpio=>irq
 * 3. request_irq
 */
static int gpio_key_probe(struct platform_device *pdev)
{
	int err;
	struct device_node *node = pdev->dev.of_node;
	int count;
	int i;
	enum of_gpio_flags flag;
		
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);

	count = of_gpio_count(node);
	if (!count)
	{
		printk("%s %s line %d, there isn't any gpio available\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
		return -1;
	}

	gpio_keys_100ask = kzalloc(sizeof(struct gpio_key) * count, GFP_KERNEL);
	for (i = 0; i < count; i++)
	{
		gpio_keys_100ask[i].gpio = of_get_gpio_flags(node, i, &flag);
		if (gpio_keys_100ask[i].gpio < 0)
		{
			printk("%s %s line %d, of_get_gpio_flags fail\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
			return -1;
		}
		gpio_keys_100ask[i].gpiod = gpio_to_desc(gpio_keys_100ask[i].gpio);
		gpio_keys_100ask[i].flag = flag & OF_GPIO_ACTIVE_LOW;
		gpio_keys_100ask[i].irq  = gpio_to_irq(gpio_keys_100ask[i].gpio);
	}

	for (i = 0; i < count; i++)
	{
		err = request_irq(gpio_keys_100ask[i].irq, gpio_key_isr, IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING, "100ask_gpio_key", &gpio_keys_100ask[i]);
	}

	/* 注册file_operations 	*/
	major = register_chrdev(0, "100ask_gpio_key", &gpio_key_drv);  /* /dev/100ask_gpio_key */

	gpio_key_class = class_create(THIS_MODULE, "100ask_gpio_key_class");
	if (IS_ERR(gpio_key_class)) {
		printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
		unregister_chrdev(major, "100ask_gpio_key");
		return PTR_ERR(gpio_key_class);
	}

	device_create(gpio_key_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "100ask_gpio_key"); /* /dev/100ask_gpio_key */
        
    return 0;
    
}

static int gpio_key_remove(struct platform_device *pdev)
{
	//int err;
	struct device_node *node = pdev->dev.of_node;
	int count;
	int i;

	device_destroy(gpio_key_class, MKDEV(major, 0));
	class_destroy(gpio_key_class);
	unregister_chrdev(major, "100ask_gpio_key");

	count = of_gpio_count(node);
	for (i = 0; i < count; i++)
	{
		free_irq(gpio_keys_100ask[i].irq, &gpio_keys_100ask[i]);
	}
	kfree(gpio_keys_100ask);
    return 0;
}


static const struct of_device_id ask100_keys[] = {
    { .compatible = "100ask,gpio_key" },
    { },
};

/* 1. 定义platform_driver */
static struct platform_driver gpio_keys_driver = {
    .probe      = gpio_key_probe,
    .remove     = gpio_key_remove,
    .driver     = {
        .name   = "100ask_gpio_key",
        .of_match_table = ask100_keys,
    },
};

/* 2. 在入口函数注册platform_driver */
static int __init gpio_key_init(void)
{
    int err;
    
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
	
    err = platform_driver_register(&gpio_keys_driver); 
	
	return err;
}

/* 3. 有入口函数就应该有出口函数：卸载驱动程序时，就会去调用这个出口函数
 *     卸载platform_driver
 */
static void __exit gpio_key_exit(void)
{
	printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);

    platform_driver_unregister(&gpio_keys_driver);
}


/* 7. 其他完善：提供设备信息，自动创建设备节点                                     */

module_init(gpio_key_init);
module_exit(gpio_key_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

4.2 button_test.c


#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

/*
 * ./button_test /dev/100ask_button0
 *
 */
int main(int argc, char **argv)
{
	int fd;
	int val;
	
	/* 1. 判断参数 */
	if (argc != 2) 
	{
		printf("Usage: %s <dev>\n", argv[0]);
		return -1;
	}

	/* 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)
	{
		/* 3. 读文件 */
		read(fd, &val, 4);
		printf("get button : 0x%x\n", val);
	}
	
	close(fd);
	
	return 0;
}

 4.3 Makefile

 


# 1. 使用不同的开发板内核时, 一定要修改KERN_DIR
# 2. KERN_DIR中的内核要事先配置、编译, 为了能编译内核, 要先设置下列环境变量:
# 2.1 ARCH,          比如: export ARCH=arm64
# 2.2 CROSS_COMPILE, 比如: export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-
# 2.3 PATH,          比如: export PATH=$PATH:/home/book/100ask_roc-rk3399-pc/ToolChain-6.3.1/gcc-linaro-6.3.1-2017.05-x86_64_aarch64-linux-gnu/bin 
# 注意: 不同的开发板不同的编译器上述3个环境变量不一定相同,
#       请参考各开发板的高级用户使用手册

KERN_DIR = # 板子所用内核源码的目录

all:
	make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules 

clean:
	make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules clean
	rm -rf modules.order

# 参考内核源码drivers/char/ipmi/Makefile
# 要想把a.c, b.c编译成ab.ko, 可以这样指定:
# ab-y := a.o b.o
# obj-m += ab.o



obj-m += gpio_key_drv.o

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