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【IMX6ULL驅(qū)動(dòng)開發(fā)學(xué)習(xí)】04.應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序數(shù)據(jù)傳輸和交互的4種方式：非阻塞、阻塞、POLL、異步通知 一、數(shù)據(jù)傳輸

2年前作者：阿龍還在寫代碼分類：Toy博客閱讀(30)違法舉報(bào)

這篇具有很好參考價(jià)值的文章主要介紹了【IMX6ULL驅(qū)動(dòng)開發(fā)學(xué)習(xí)】04.應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序數(shù)據(jù)傳輸和交互的4種方式：非阻塞、阻塞、POLL、異步通知 一、數(shù)據(jù)傳輸。希望對(duì)大家有所幫助。如果存在錯(cuò)誤或未考慮完全的地方，請(qǐng)大家不吝賜教，您也可以點(diǎn)擊"舉報(bào)違法"按鈕提交疑問(wèn)。

目錄

一、數(shù)據(jù)傳輸

1.1 APP和驅(qū)動(dòng)?

1.2 驅(qū)動(dòng)和硬件

二、APP使用驅(qū)動(dòng)的4種方式

2.1 非阻塞（查詢）

2.2 阻塞（休眠+喚醒）

2.3 POLL（休眠+喚醒+超時(shí)時(shí)間）

2.3.1?POLL機(jī)制流程

2.3.2?POLL執(zhí)行流程

2.3.3?POLL應(yīng)用和驅(qū)動(dòng)編程?

2.4 異步通知

2.4.1 異步通知流程

2.4.1 異步通知應(yīng)用和驅(qū)動(dòng)編程

一、數(shù)據(jù)傳輸

【IMX6ULL驅(qū)動(dòng)開發(fā)學(xué)習(xí)】04.應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序數(shù)據(jù)傳輸和交互的4種方式：非阻塞、阻塞、POLL、異步通知,Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā),linux,驅(qū)動(dòng)開發(fā),交互

1.1 APP和驅(qū)動(dòng)?

APP和驅(qū)動(dòng)之間的數(shù)據(jù)訪問(wèn)是不能通過(guò)直接訪問(wèn)對(duì)方的內(nèi)存地址來(lái)操作的，這里涉及Linux系統(tǒng)中的MMU（內(nèi)存管理單元）。在驅(qū)動(dòng)程序中通過(guò)這兩個(gè)函數(shù)來(lái)獲得APP和傳給APP數(shù)據(jù)：

  • copy_to_user
  • copy_from_user

簡(jiǎn)單來(lái)講，應(yīng)用程序與內(nèi)核/驅(qū)動(dòng)程序在物理空間上是隔離開的，應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序是不可能互相訪問(wèn)到的。驅(qū)動(dòng)程序里的copy_from_user得到應(yīng)用層傳來(lái)的數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)程序可以使用copy_to_user把數(shù)據(jù)發(fā)給應(yīng)用程序，即應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)這兩個(gè)函數(shù)交換數(shù)據(jù)。

1.2 驅(qū)動(dòng)和硬件

  • 各個(gè)子系統(tǒng)函數(shù)
  • 通過(guò)ioremap映射寄存器地址后，直接訪問(wèn)寄存器

驅(qū)動(dòng)程序操作硬件可以通過(guò)子系統(tǒng)的方式（調(diào)用函數(shù)）來(lái)操作硬件；或者用最原始的辦法ioremap，映射寄存器的地址（不是直接操作寄存器地址），這樣在驅(qū)動(dòng)程序里就可以訪問(wèn)寄存器了。

二、APP使用驅(qū)動(dòng)的4種方式

驅(qū)動(dòng)程序：提供能力，不提供策略(驅(qū)動(dòng)程序提供各種作用的函數(shù)，供應(yīng)用程序抉擇并使用)。

2.1 非阻塞（查詢）

如果在應(yīng)用程序里open這個(gè)argv[1]（設(shè)備節(jié)點(diǎn)）時(shí)，指定了非阻塞，表示讀數(shù)據(jù)時(shí)，如果沒有數(shù)據(jù)并且這個(gè)文件的flag是非阻塞，則立刻返回一個(gè)錯(cuò)誤。APP指定了非阻塞方式，驅(qū)動(dòng)程序是否判斷它的flag完全由用戶決定。

//應(yīng)用程序
//O_RDWR可讀可寫，O_NONBLOCK非阻塞方式
fd = open(argv[1], O_RDWR | O_NONBLOCK);

//驅(qū)動(dòng)程序的read
static ssize_t gpio_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	int err;
	int key;

	if (is_key_buf_empty() && (file->f_flags & O_NONBLOCK))
		return -EAGAIN;
	
	wait_event_interruptible(gpio_wait, !is_key_buf_empty());
	key = get_key();
	err = copy_to_user(buf, &key, 4);	
	return 4;
}

2.2 阻塞（休眠+喚醒）

如果一開始buf里沒有數(shù)據(jù)，APP調(diào)用讀函數(shù)，驅(qū)動(dòng)程序讀函數(shù)會(huì)進(jìn)入wait_event_interruptible里休眠（放棄運(yùn)行，不是死等），等待被喚醒。所以我們經(jīng)常看到read函數(shù)很久沒有返回，是因?yàn)樵隍?qū)動(dòng)程序里休眠了。該事件會(huì)記錄在gpio_wait隊(duì)列中。

//應(yīng)用程序
//O_RDWR可讀可寫，不設(shè)置非阻塞
fd = open(argv[1], O_RDWR);

//驅(qū)動(dòng)程序的read
static ssize_t gpio_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset)
{
	int err;
	int key;

	if (is_key_buf_empty() && (file->f_flags & O_NONBLOCK))
		return -EAGAIN;
	
	wait_event_interruptible(gpio_wait, !is_key_buf_empty());
	key = get_key();
	err = copy_to_user(buf, &key, 4);	
	return 4;
}

通常配合中斷+定時(shí)器的方式來(lái)喚醒該隊(duì)列里面等待喚醒的進(jìn)程/線程。

//中斷函數(shù)
static irqreturn_t gpio_key_isr(int irq, void *dev_id)
{
	struct gpio_desc *gpio_desc = dev_id;
	printk("gpio_key_isr key %d irq happened\n", gpio_desc->gpio);
	//定時(shí)器 用來(lái)消除抖動(dòng)
    //修改定時(shí)器的超時(shí)時(shí)間= jiffies(當(dāng)前時(shí)間) + 赫茲/5
	mod_timer(&gpio_desc->key_timer, jiffies + HZ/5);
	return IRQ_HANDLED;//成功處理
}

//定時(shí)器超時(shí)函數(shù)
static void key_timer_expire(unsigned long data)
{
	struct gpio_desc *gpio_desc = (struct gpio_desc *)data;
	int val;
	int key;

	val = gpio_get_value(gpio_desc->gpio);
    key = (gpio_desc->key) | (val<<8);
	put_key(key);//按鍵值放入環(huán)形緩沖區(qū)
    
    //喚醒隊(duì)列中的進(jìn)程/線程
	wake_up_interruptible(&gpio_wait);
	kill_fasync(&button_fasync, SIGIO, POLL_IN);
}

2.3 POLL（休眠+喚醒+超時(shí)時(shí)間）

2.3.1?POLL機(jī)制流程

使用休眠-喚醒的方式等待某個(gè)事件發(fā)生時(shí)，有一個(gè)缺點(diǎn)： 等待的時(shí)間可能很久。我們可以加上一個(gè)超時(shí)時(shí)間，這時(shí)就可以使用 poll 機(jī)制。poll機(jī)制流程如下6步：

①APP不知道驅(qū)動(dòng)程序中是否有數(shù)據(jù)，可以先調(diào)用poll函數(shù)查詢一下，poll函數(shù)可以傳入超時(shí)時(shí)間；

②APP進(jìn)入內(nèi)核態(tài)，調(diào)用到驅(qū)動(dòng)程序的poll函數(shù)，如果有數(shù)據(jù)的話立刻返回；

③如果發(fā)現(xiàn)沒有數(shù)據(jù)時(shí)就休眠一段時(shí)間；

④當(dāng)有數(shù)據(jù)時(shí)，比如當(dāng)按下按鍵時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序的中斷服務(wù)程序和定時(shí)器超時(shí)函數(shù)被調(diào)用，它會(huì)記錄數(shù)據(jù)、喚醒APP；

⑤當(dāng)超時(shí)時(shí)間到了之后，內(nèi)核也會(huì)喚醒APP；

⑥APP根據(jù)poll函數(shù)的返回值就可以知道是否有數(shù)據(jù)，如果有數(shù)據(jù)就調(diào)用read得到數(shù)據(jù)。

2.3.2?POLL執(zhí)行流程

【IMX6ULL驅(qū)動(dòng)開發(fā)學(xué)習(xí)】04.應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序數(shù)據(jù)傳輸和交互的4種方式：非阻塞、阻塞、POLL、異步通知,Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā),linux,驅(qū)動(dòng)開發(fā),交互

?????????????????????????????????????????????????????????????????圖1 poll機(jī)制

函數(shù)執(zhí)行流程如上圖①～⑧所示，重點(diǎn)從③開始看。假設(shè)一開始無(wú)按鍵數(shù)據(jù)：

③APP調(diào)用poll之后，進(jìn)入內(nèi)核態(tài)；

④在循環(huán)中執(zhí)行程序，致驅(qū)動(dòng)程序的drv_poll被調(diào)用；注意，drv_poll要把自己這個(gè)線程掛入等待隊(duì)列 wq 中！，并沒有休眠，且無(wú)數(shù)據(jù)返回0，有數(shù)據(jù)返回POLLIN；

⑤當(dāng)前沒有數(shù)據(jù)，則在內(nèi)核態(tài)中休眠一會(huì)，等待超時(shí)內(nèi)核喚醒或中斷+定時(shí)器喚醒；

中斷+定時(shí)器喚醒情況：

⑥過(guò)程中，按下了按鍵，發(fā)生了中斷+定時(shí)器超時(shí)函數(shù)，在定時(shí)器超時(shí)函數(shù)里記錄了按鍵值，并且從gpio_wait隊(duì)列中把線程喚醒了；

⑦從休眠中被喚醒，繼續(xù)執(zhí)行 for 循環(huán)，再次調(diào)用 drv_poll，在drv_poll中返回?cái)?shù)據(jù)狀態(tài)（POLLIN）；

⑧有數(shù)據(jù)返回到內(nèi)核態(tài)，內(nèi)核態(tài)返回到應(yīng)用態(tài)；

⑨APP調(diào)用read函數(shù)讀數(shù)據(jù)。


超時(shí)內(nèi)核喚醒情況：接著上面的⑤

⑥在休眠過(guò)程中，一直沒有按下了按鍵，超時(shí)時(shí)間到，內(nèi)核把這個(gè)線程喚醒；

⑦線程從休眠中被喚醒，繼續(xù)執(zhí)行 for 循環(huán)，再次調(diào)用 drv_poll，drv_poll返回?cái)?shù)據(jù)狀態(tài)

⑧還是沒有數(shù)據(jù)，但是超時(shí)時(shí)間到了，那從內(nèi)核態(tài)返回到應(yīng)用態(tài)；

⑨APP不能調(diào)用 read 函數(shù)讀數(shù)據(jù)。

需要注意一下幾點(diǎn)?。?！

  • drv_poll 要把線程掛入隊(duì)列g(shù)pio_wait，但是并不是在 drv_poll 中進(jìn)入休眠，而是在調(diào)用 drv_poll 之后休眠
  • drv_poll 要返回?cái)?shù)據(jù)狀態(tài)
  • APP 調(diào)用一次 poll，有可能會(huì)導(dǎo)致 drv_poll 被調(diào)用 2 次
  • 線程被喚醒的原因有 2個(gè)：中斷（+定時(shí)器）發(fā)生了去隊(duì)列g(shù)pio_wait中把它喚醒，超時(shí)時(shí)間到了內(nèi)核把它喚醒
  • APP 要判斷 poll 返回的原因：有數(shù)據(jù)，還是超時(shí)。有數(shù)據(jù)時(shí)再去調(diào)用read函數(shù)
2.3.3?POLL應(yīng)用和驅(qū)動(dòng)編程?

驅(qū)動(dòng)程序中的poll代碼

static unsigned int gpio_drv_poll(struct file *fp, poll_table * wait)
{
	poll_wait(fp, &gpio_wait, wait);
	return is_key_buf_empty() ? 0 : POLLIN | POLLRDNORM;
}

?驅(qū)動(dòng)程序中的中斷觸發(fā)函數(shù)：按鍵消抖+修改了定時(shí)器超時(shí)時(shí)間

static irqreturn_t gpio_key_isr(int irq, void *dev_id)
{
	struct gpio_desc *gpio_desc = dev_id;
	printk("gpio_key_isr key %d irq happened\n", gpio_desc->gpio);
	//定時(shí)器 用來(lái)消除抖動(dòng)
	mod_timer(&gpio_desc->key_timer, jiffies + HZ/5);//修改定時(shí)器的超時(shí)時(shí)間= jiffies(當(dāng)前時(shí)間) + 赫茲/5
	return IRQ_HANDLED;//成功處理
}

?定時(shí)器超時(shí)函數(shù)：獲取按鍵值+儲(chǔ)存按鍵值+喚醒線程

static void key_timer_expire(unsigned long data)
{
	struct gpio_desc *gpio_desc = (struct gpio_desc *)data;
	int val;
	int key;

	val = gpio_get_value(gpio_desc->gpio);
	key = (gpio_desc->key) | (val<<8);
	put_key(key);//按鍵值放入環(huán)形緩沖區(qū)
	wake_up_interruptible(&gpio_wait);//喚醒隊(duì)列里的線程
	kill_fasync(&button_fasync, SIGIO, POLL_IN);
}

應(yīng)用程序代碼：

struct pollfd fds[1]
int timeout_ms = 5000;
int ret;
int fd;
fds[0].fd = fd;           //查詢fd這個(gè)文件
fds[0].events = POLLIN;   //POLLIN表示查詢這個(gè)文件有沒有數(shù)據(jù)讓我讀進(jìn)來(lái) 

fd = open(argv[1], O_RDWR);
if(fd == -1)
{
    printf("can not open file %s\n", argv[1]);
}

while(1)
{
    ret = poll(fds, 1, timeout_ms);
    //ret為1表示fds結(jié)構(gòu)體中有文件滿足返回條件，且返回的事件是這個(gè)文件有數(shù)據(jù)讓我讀進(jìn)來(lái)POLLIN
    if((ret == 1) && (fds[0].revents & POLLIN))
    {
        read(fd, &val, 4);
        printf("get button : 0x%x\n", val);
    }
    else
    {
        printf("timeout\n");
    }

}

2.4 異步通知

2.4.1 異步通知流程

使用休眠-喚醒、POLL機(jī)制時(shí)，都需要休眠等待某個(gè)事件發(fā)生時(shí)，它們的差別在于后者可以指定休眠的時(shí)長(zhǎng)。如果APP不想休眠怎么辦？也有類似的方法：驅(qū)動(dòng)程序有數(shù)據(jù)時(shí)主動(dòng)通知APP，APP收到信號(hào)后執(zhí)行信息處理函數(shù)，這就是異步通知。

【IMX6ULL驅(qū)動(dòng)開發(fā)學(xué)習(xí)】04.應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序數(shù)據(jù)傳輸和交互的4種方式：非阻塞、阻塞、POLL、異步通知,Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā),linux,驅(qū)動(dòng)開發(fā),交互
圖2 異步通知的信號(hào)流程

重點(diǎn)從②開始：
② APP 給 SIGIO 這個(gè)信號(hào)注冊(cè)信號(hào)處理函數(shù) func，以后 APP 收到 SIGIO信號(hào)時(shí)，這個(gè)函數(shù)會(huì)被自動(dòng)調(diào)用；
③ 把 APP 的 PID(進(jìn)程 ID)告訴驅(qū)動(dòng)程序，這個(gè)調(diào)用不涉及驅(qū)動(dòng)程序，在內(nèi)核的文件系統(tǒng)層次記錄 PID；
④ 讀取驅(qū)動(dòng)程序文件 Flag；
⑤ 設(shè)置 Flag 里面的 FASYNC 位為 1：當(dāng) FASYNC 位發(fā)生變化時(shí)，會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)程序的 fasync 被調(diào)用；
⑥⑦ 調(diào) 用 faync_helper ， 它會(huì)根據(jù)FAYSNC的值決定是否設(shè)置button_async->fa_file=驅(qū)動(dòng)文件 filp：驅(qū)動(dòng)文件 filp 結(jié)構(gòu)體里面含有之前設(shè)置的 PID。
⑧ APP 可以做其他事；
⑨⑩ 按下按鍵，發(fā)生中斷，驅(qū)動(dòng)程序的中斷服務(wù)程序被調(diào)用，里面調(diào)用kill_fasync 發(fā)信號(hào)；
??? APP 收到信號(hào)后，它的信號(hào)處理函數(shù)被自動(dòng)調(diào)用，可以在里面調(diào)用read 函數(shù)讀取按鍵。

2.4.1 異步通知應(yīng)用和驅(qū)動(dòng)編程

應(yīng)用程序：信號(hào)處理函數(shù)+注冊(cè)信號(hào)處理函數(shù)+打開驅(qū)動(dòng)+把進(jìn)程ID告訴驅(qū)動(dòng)+使能驅(qū)動(dòng)的FASYNC功能

static void sig_func(int sig)
{
    int val;
    read(fd, &val, 4);
    printf("get button : 0x%x\n", val);
}

signal(SIGIO, sig_func);

fd = open(argv[1], O_RDWR);
if(fd == -1)
{
    printf("can not open file %s\n", argv[1]);
}

fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());         //告訴驅(qū)動(dòng)程序，要給誰(shuí)發(fā)信號(hào)
flags = fcntl(fd, F_GETFL);            //獲得之前的flags
fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC);    //這是新的flags并使能驅(qū)動(dòng)的FASYNC功能（使能異步通知）

驅(qū)動(dòng)程序中的fasync被調(diào)用：使能異步通知后會(huì)調(diào)用這個(gè)輔助函數(shù)來(lái)構(gòu)造結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體里存放進(jìn)程id

//構(gòu)造button_fasync結(jié)構(gòu)體，結(jié)構(gòu)體里存放進(jìn)程id
static int gpio_drv_fasync(int fd, struct file *file, int on)
{
	if (fasync_helper(fd, file, on, &button_fasync) >= 0)
		return 0;
	else
		return -EIO;
}

?驅(qū)動(dòng)程序中的中斷觸發(fā)函數(shù)：按鍵消抖+修改了定時(shí)器超時(shí)時(shí)間

static irqreturn_t gpio_key_isr(int irq, void *dev_id)
{
	struct gpio_desc *gpio_desc = dev_id;
	printk("gpio_key_isr key %d irq happened\n", gpio_desc->gpio);
	//定時(shí)器 用來(lái)消除抖動(dòng)
	mod_timer(&gpio_desc->key_timer, jiffies + HZ/5);//修改定時(shí)器的超時(shí)時(shí)間= jiffies(當(dāng)前時(shí)間) + 赫茲/5
	return IRQ_HANDLED;//成功處理
}

?定時(shí)器超時(shí)函數(shù)：最后一行發(fā)送信號(hào)SIGIO給進(jìn)程，button_fasync結(jié)構(gòu)體中有進(jìn)程信息，發(fā)送信號(hào)后，應(yīng)用程序中收到信號(hào)會(huì)打斷while循環(huán)并先執(zhí)行對(duì)應(yīng)的信號(hào)處理函數(shù)，再回到while循環(huán)。文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-636901.html

static void key_timer_expire(unsigned long data)
{
	struct gpio_desc *gpio_desc = (struct gpio_desc *)data;
	int val;
	int key;

	val = gpio_get_value(gpio_desc->gpio);
	key = (gpio_desc->key) | (val<<8);
	put_key(key);//按鍵值放入環(huán)形緩沖區(qū)
	wake_up_interruptible(&gpio_wait);//喚醒隊(duì)列里的線程
	kill_fasync(&button_fasync, SIGIO, POLL_IN);
}

到了這里，關(guān)于【IMX6ULL驅(qū)動(dòng)開發(fā)學(xué)習(xí)】04.應(yīng)用程序和驅(qū)動(dòng)程序數(shù)據(jù)傳輸和交互的4種方式：非阻塞、阻塞、POLL、異步通知 一、數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈恼戮徒榻B完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！

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