<Linux开发>驱动开发 -之-资源的并发与竞争处理
交叉编译环境搭建:
<Linux开发> linux开发工具-之-交叉编译环境搭建
uboot移植可参考以下:
<Linux开发> -之-系统移植 uboot移植过程详细记录(第一部分)
<Linux开发> -之-系统移植 uboot移植过程详细记录(第二部分)
<Linux开发> -之-系统移植 uboot移植过程详细记录(第三部分)(uboot移植完结)
Linux内核及设备树移植可参考以下:
<Linux开发>系统移植 -之- linux内核移植过程详细记录(第一部分)
<Linux开发>系统移植 -之- linux内核移植过程详细记录(第二部分完结)
Linux文件系统构建移植参考以下:
<Linux开发>系统移植 -之- linux构建BusyBox根文件系统及移植过程详细记录
<Linux开发>系统移植 -之-使用buildroot构建BusyBox根文件系统
Linux驱动开发参考以下:
<Linux开发>驱动开发 -之-pinctrl子系统
<Linux开发>驱动开发 -之-gpio子系统
<Linux开发>驱动开发 -之-基于pinctrl/gpio子系统的LED驱动
<Linux开发>驱动开发 -之-基于pinctrl/gpio子系统的beep驱动
一 前言
对应资源的并发与竞争处理,主要涉及原子操作、自旋锁、信号量和互斥体这四个。不同进程同时访问同一个资源就会存在并发问题; 比如不同进程同时控制LED或beep。本文不过多解释四种处理并发的原理,读者可以自行查阅相关资料。这里只讲使用。那么我们接下来一个一个使用看看。
二 信号量
本次实现对beep的这个资源,来进行并发的处理,通过信号量的方式;
基于<Linux开发>驱动开发 -之-基于pinctrl/gpio子系统的beep驱动,设备树无需改动,主要是修改驱动程序;
2.1 修改beep驱动
修改beep驱动后如下:
/***************************************************************
Copyright © OneFu Co., Ltd. 2018-2023. All rights reserved.
文件名 : beep.c
作者 : water
版本 : V1.0
描述 : 采用 pinctrl 和 gpio 子系统驱动 beep蜂鸣器。
其他 : 无
日志 : 初版 V1.0 2023/05/28 water创建
***************************************************************/
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>
#include <linux/semaphore.h>
#define BEEP_CNT 1 /* 设备号个数 */
#define BEEP_NAME "beep" /* 名字 */
#define BEEPOFF 0 /* 关beep */
#define BEEPON 1 /* 开beeo */
/* beep 设备结构体 */
struct beep_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 */
int beep_gpio; /* beep 所使用的 GPIO 编号 */
struct semaphore sem; /* 信号量 */
};
struct beep_dev beep; /* beep 设备 */
/*
* @description : 打开设备
* @param – inode : 传递给驱动的 inode
* @param – filp : 设备文件,file 结构体有个叫做 private_data 的成员变量
* 一般在 open 的时候将 private_data 指向设备结构体。
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
static int beep_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
filp->private_data = &beep; /* 设置私有数据 */
/* 获取信号量,进入休眠状态的进程可以被信号打断 */
if (down_interruptible(&beep.sem)) {
return -ERESTARTSYS;
}
return 0;
}
/*
* @description : 从设备读取数据
* @param – filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
* @param - buf : 返回给用户空间的数据缓冲区
* @param - cnt : 要读取的数据长度
* @param – offt : 相对于文件首地址的偏移
* @return : 读取的字节数,如果为负值,表示读取失败
*/
static ssize_t beep_read(struct file *filp, char __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
{
return 0;
}
/*
* @description : 向设备写数据
* @param - filp : 设备文件,表示打开的文件描述符
* @param - buf : 要写给设备写入的数据
* @param - cnt : 要写入的数据长度
* @param – offt : 相对于文件首地址的偏移
* @return : 写入的字节数,如果为负值,表示写入失败
*/
static ssize_t beep_write(struct file *filp, const char __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
{
int retvalue;
unsigned char databuf[1];
unsigned char beepstat;
struct beep_dev *dev = filp->private_data;
retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);
if(retvalue < 0) {
printk("kernel write failed!\r\n");
return -EFAULT;
}
beepstat = databuf[0]; /* 获取状态值 */
if(beepstat == BEEPON) {
gpio_set_value(dev->beep_gpio, 0); /* 打开 beep */
} else if(beepstat == BEEPOFF) {
gpio_set_value(dev->beep_gpio, 1); /* 关闭 beep */
}
return 0;
}
/*
* @description : 关闭/释放设备
* @param – filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
static int beep_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct beep_dev *dev = filp->private_data;
up(&dev->sem); /* 释放信号量,信号量值加 1 */
return 0;
}
/* 设备操作函数 */
static struct file_operations beep_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = beep_open,
.read = beep_read,
.write = beep_write,
.release = beep_release,
};
/*
* @description : 驱动入口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static int __init water_beep_init(void)
{
int ret = 0;
/* 初始化信号量 */
sema_init(&beep.sem, 1);
/* 设置 beep 所使用的 GPIO */
/* 1、获取设备节点: beep */
beep.nd = of_find_node_by_path("/beep");
if(beep.nd == NULL) {
printk("beep node cant not found!\r\n");
return -EINVAL;
} else {
printk("beep node has been found!\r\n");
}
/* 2、 获取设备树中的 gpio 属性,得到 LED 所使用的 LED 编号 */
beep.beep_gpio = of_get_named_gpio(beep.nd, "beep-gpio", 0);
if(beep.beep_gpio < 0) {
printk("can't get beep-gpio");
return -EINVAL;
}
printk("beep num = %d\r\n", beep.beep_gpio);
/* 3、设置 GPIO5_IO01 为输出,并且输出高电平,默认关闭 beep */
ret = gpio_direction_output(beep.beep_gpio, 1);
if(ret < 0) {
printk("can't set gpio!\r\n");
}
/* 注册字符设备驱动 */
/* 1、创建设备号 */
if (beep.major) { /* 定义了设备号 */
beep.devid = MKDEV(beep.major, 0);
register_chrdev_region(beep.devid, BEEP_CNT,
BEEP_NAME);
} else { /* 没有定义设备号 */
alloc_chrdev_region(&beep.devid, 0, BEEP_CNT,
BEEP_NAME); /* 申请设备号 */
beep.major = MAJOR(beep.devid); /* 获取分配号的主设备号 */
beep.minor = MINOR(beep.devid); /* 获取分配号的次设备号 */
}
printk("beep major=%d,minor=%d\r\n",beep.major,
beep.minor);
/* 2、初始化 cdev */
beep.cdev.owner = THIS_MODULE;
cdev_init(&beep.cdev, &beep_fops);
/* 3、添加一个 cdev */
cdev_add(&beep.cdev, beep.devid, BEEP_CNT);
/* 4、创建类 */
beep.class = class_create(THIS_MODULE, BEEP_NAME);
if (IS_ERR(beep.class)) {
return PTR_ERR(beep.class);
}
/* 5、创建设备 */
beep.device = device_create(beep.class, NULL,
beep.devid, NULL, BEEP_NAME);
if (IS_ERR(beep.device)) {
return PTR_ERR(beep.device);
}
return 0;
}
/*
* @description : 驱动出口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static void __exit water_beep_exit(void)
{
/* 注销字符设备驱动 */
cdev_del(&beep.cdev); /* 删除 cdev */
unregister_chrdev_region(beep.devid, BEEP_CNT); /* 注销 */
device_destroy(beep.class, beep.devid);
class_destroy(beep.class);
}
module_init(water_beep_init);
module_exit(water_beep_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("water");
2.2 编译驱动
笔者使用集成kernel一起编译的,所以修改完后,直接整个kernel编译即可,读者也可以模块编译然后挂载。使用新编译的Kernel内核启动;
2.3 编写测试asme信号量的app
编写测试app如下:
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#include "stdio.h"
/***************************************************************
* Copyright © onefu Co., Ltd. 2019-2023. All rights reserved.
* 文件名 : beep_water_app.c
* 作者 : water
* 版本 : V1.0
* 描述 : beep 驱测试APP。
* 其他 : 使用方法:./beep_water_app /dev/beep <1>|<2>
* argv[2] 0:关闭beep
* argv[2] 1:打开beep
* 日志 : 初版V1.0 2023/05/28 water创建
* ***************************************************************/
#define BEEPOFF 0
#define BEEPON 1
/*
* @description : main主程序
* @param - argc : argv数组元素个数
* @param - argv : 具体参数
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd, retvalue; //fd: 文件描述符 用以对文件操作 retvalue:存放函数操作后的返回值
char *filename; //filename:文件名,有主函数参数传入赋值
unsigned char databuf[1]; //定义的buf,用来读写数据用
int cnt = 0;
if(argc != 3){ //判断主函数传入的函数的参数的个数
printf("Error Usage!\r\n");
return -1;
}
filename = argv[1]; //获取第1个参数,存放的是文件的路径(即要操作的设备文件路径)
fd = open(filename,O_RDWR); /*打开驱动文件*/
if(fd < 0){
printf("Can't open file %s\r\n",filename); /*打开失败,输出提示*/
return -1;
}
databuf[0] = atoi(argv[2]); /* 要执行的操作:打开或关闭 */
retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf)); /*向设备驱动写入数据*/
if(retvalue < 0){
printf("BEEP Control Failed!\r\n",filename); /*写入错误输出提示*/
close(fd);
return -1;
}
/* 模拟占用 50S LED */
while(1) {
sleep(1);
cnt++;
printf("beep App running times:%d\r\n", cnt);
if(cnt >= 10) break;
}
printf("App running finished!");
retvalue = close(fd); /*关闭文件*/
if(retvalue < 0){
printf("Can't close file %s\r\n",filename); /*关闭错误输出提示*/
return -1;
}
return 0;
}
//编译指令: arm-linux-gnueabihf-gcc beep_water_app.c -o beep_water_app
2.4 测试asme信号量的app编译
编译命令:
arm-linux-gnueabihf-gcc sema_beep_app.c -o sema_beep_app
2.5 运行验证
将编译的sema_beep_app执行文件放到设备的/root/water_soft/beep目录下;
cp sema_beep_app ../../nfs/buildrootfs/root/water_soft/beep/
运行命令:
./sema_beep_app /dev/beep 1&
./sema_beep_app /dev/beep 0&
同时运行两个,第1个开启BEEP 10s,第2个关闭beep。
由现象可观测到,关闭命令 需要等待开启的命令运行完才会运行。所以可以知道,在操作Beep资源时,只有等待前面一个进程操作释放后,后一个进程才能操作beep资源。
三 互斥体
3.1 编译驱动
更改<Linux开发>驱动开发 -之-基于pinctrl/gpio子系统的beep驱动驱动后如下:
/***************************************************************
Copyright © OneFu Co., Ltd. 2018-2023. All rights reserved.
文件名 : beep.c
作者 : water
版本 : V1.0
描述 : 采用 pinctrl 和 gpio 子系统驱动 beep蜂鸣器。
其他 : 无
日志 : 初版 V1.0 2023/05/28 water创建
***************************************************************/
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>
// #include <linux/semaphore.h>
#define BEEP_CNT 1 /* 设备号个数 */
#define BEEP_NAME "beep" /* 名字 */
#define BEEPOFF 0 /* 关beep */
#define BEEPON 1 /* 开beeo */
/* beep 设备结构体 */
struct beep_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 */
int beep_gpio; /* beep 所使用的 GPIO 编号 */
// struct semaphore sem; /* 信号量 */
struct mutex lock; /* 互斥体 */
};
struct beep_dev beep; /* beep 设备 */
/*
* @description : 打开设备
* @param – inode : 传递给驱动的 inode
* @param – filp : 设备文件,file 结构体有个叫做 private_data 的成员变量
* 一般在 open 的时候将 private_data 指向设备结构体。
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
static int beep_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
filp->private_data = &beep; /* 设置私有数据 */
/* 获取信号量,进入休眠状态的进程可以被信号打断 */
// if (down_interruptible(&beep.sem)) {
// return -ERESTARTSYS;
// }
/* 获取互斥体,可以被信号打断 */
if (mutex_lock_interruptible(&beep.lock)) {
return -ERESTARTSYS;
}
return 0;
}
/*
* @description : 从设备读取数据
* @param – filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
* @param - buf : 返回给用户空间的数据缓冲区
* @param - cnt : 要读取的数据长度
* @param – offt : 相对于文件首地址的偏移
* @return : 读取的字节数,如果为负值,表示读取失败
*/
static ssize_t beep_read(struct file *filp, char __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
{
return 0;
}
/*
* @description : 向设备写数据
* @param - filp : 设备文件,表示打开的文件描述符
* @param - buf : 要写给设备写入的数据
* @param - cnt : 要写入的数据长度
* @param – offt : 相对于文件首地址的偏移
* @return : 写入的字节数,如果为负值,表示写入失败
*/
static ssize_t beep_write(struct file *filp, const char __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
{
int retvalue;
unsigned char databuf[1];
unsigned char beepstat;
struct beep_dev *dev = filp->private_data;
retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);
if(retvalue < 0) {
printk("kernel write failed!\r\n");
return -EFAULT;
}
beepstat = databuf[0]; /* 获取状态值 */
if(beepstat == BEEPON) {
gpio_set_value(dev->beep_gpio, 0); /* 打开 beep */
} else if(beepstat == BEEPOFF) {
gpio_set_value(dev->beep_gpio, 1); /* 关闭 beep */
}
return 0;
}
/*
* @description : 关闭/释放设备
* @param – filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
static int beep_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct beep_dev *dev = filp->private_data;
/* 释放信号量,信号量值加 1 */
// up(&dev->sem);
/* 释放互斥锁 */
mutex_unlock(&dev->lock);
return 0;
}
/* 设备操作函数 */
static struct file_operations beep_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = beep_open,
.read = beep_read,
.write = beep_write,
.release = beep_release,
};
/*
* @description : 驱动入口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static int __init water_beep_init(void)
{
int ret = 0;
/* 初始化信号量 */
// sema_init(&beep.sem, 1);
/* 初始化互斥体 */
mutex_init(&beep.lock);
/* 设置 beep 所使用的 GPIO */
/* 1、获取设备节点: beep */
beep.nd = of_find_node_by_path("/beep");
if(beep.nd == NULL) {
printk("beep node cant not found!\r\n");
return -EINVAL;
} else {
printk("beep node has been found!\r\n");
}
/* 2、 获取设备树中的 gpio 属性,得到 LED 所使用的 LED 编号 */
beep.beep_gpio = of_get_named_gpio(beep.nd, "beep-gpio", 0);
if(beep.beep_gpio < 0) {
printk("can't get beep-gpio");
return -EINVAL;
}
printk("beep num = %d\r\n", beep.beep_gpio);
/* 3、设置 GPIO5_IO01 为输出,并且输出高电平,默认关闭 beep */
ret = gpio_direction_output(beep.beep_gpio, 1);
if(ret < 0) {
printk("can't set gpio!\r\n");
}
/* 注册字符设备驱动 */
/* 1、创建设备号 */
if (beep.major) { /* 定义了设备号 */
beep.devid = MKDEV(beep.major, 0);
register_chrdev_region(beep.devid, BEEP_CNT,
BEEP_NAME);
} else { /* 没有定义设备号 */
alloc_chrdev_region(&beep.devid, 0, BEEP_CNT,
BEEP_NAME); /* 申请设备号 */
beep.major = MAJOR(beep.devid); /* 获取分配号的主设备号 */
beep.minor = MINOR(beep.devid); /* 获取分配号的次设备号 */
}
printk("beep major=%d,minor=%d\r\n",beep.major,
beep.minor);
/* 2、初始化 cdev */
beep.cdev.owner = THIS_MODULE;
cdev_init(&beep.cdev, &beep_fops);
/* 3、添加一个 cdev */
cdev_add(&beep.cdev, beep.devid, BEEP_CNT);
/* 4、创建类 */
beep.class = class_create(THIS_MODULE, BEEP_NAME);
if (IS_ERR(beep.class)) {
return PTR_ERR(beep.class);
}
/* 5、创建设备 */
beep.device = device_create(beep.class, NULL,
beep.devid, NULL, BEEP_NAME);
if (IS_ERR(beep.device)) {
return PTR_ERR(beep.device);
}
return 0;
}
/*
* @description : 驱动出口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static void __exit water_beep_exit(void)
{
/* 注销字符设备驱动 */
cdev_del(&beep.cdev); /* 删除 cdev */
unregister_chrdev_region(beep.devid, BEEP_CNT); /* 注销 */
device_destroy(beep.class, beep.devid);
class_destroy(beep.class);
}
module_init(water_beep_init);
module_exit(water_beep_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("water");
3.2 编译驱动
笔者使用集成kernel一起编译的,所以修改完后,直接整个kernel编译即可,读者也可以模块编译然后挂载。使用新编译的Kernel内核启动;
3.3 编写测试互斥体信号的app
编写测试app与2.3小结一样,重命名为mutex_beep_app.c,然后编译,并将执行文件放到根文件系统中。
arm-linux-gnueabihf-gcc mutex_beep_app.c -o mutex_beep_app
cp mutex_beep_app ../../nfs/buildrootfs/root/water_soft/beep/
3.4 运行验证
运行命令:
./mutex_beep_app /dev/beep 1&
./mutex_beep_app /dev/beep 0&
实际现象与第二节内容一致,都是先运行完开启进程后,延时10s后才会执行第二个进程的关闭操作。
四 原子操作
4.1 编译驱动
更改<Linux开发>驱动开发 -之-基于pinctrl/gpio子系统的beep驱动驱动后如下:
/***************************************************************
Copyright © OneFu Co., Ltd. 2018-2023. All rights reserved.
文件名 : beep.c
作者 : water
版本 : V1.0
描述 : 采用 pinctrl 和 gpio 子系统驱动 beep蜂鸣器。
其他 : 无
日志 : 初版 V1.0 2023/05/28 water创建
***************************************************************/
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>
// #include <linux/semaphore.h>
#define BEEP_CNT 1 /* 设备号个数 */
#define BEEP_NAME "beep" /* 名字 */
#define BEEPOFF 0 /* 关beep */
#define BEEPON 1 /* 开beeo */
/* beep 设备结构体 */
struct beep_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 */
int beep_gpio; /* beep 所使用的 GPIO 编号 */
// struct semaphore sem; /* 信号量 */
// struct mutex lock; /* 互斥体 */
atomic_t lock; /* 原子变量 */
};
struct beep_dev beep; /* beep 设备 */
/*
* @description : 打开设备
* @param – inode : 传递给驱动的 inode
* @param – filp : 设备文件,file 结构体有个叫做 private_data 的成员变量
* 一般在 open 的时候将 private_data 指向设备结构体。
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
static int beep_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
/* 通过判断原子变量的值来检查 beep 有没有被别的应用使用 */
if (!atomic_dec_and_test(&beep.lock)) {
atomic_inc(&beep.lock);/* 小于 0 的话就加 1,使其原子变量等于 0 */
return -EBUSY; /* beep 被使用,返回忙 */
}
filp->private_data = &beep; /* 设置私有数据 */
/* 获取信号量,进入休眠状态的进程可以被信号打断 */
// if (down_interruptible(&beep.sem)) {
// return -ERESTARTSYS;
// }
/* 获取互斥体,可以被信号打断 */
// if (mutex_lock_interruptible(&beep.lock)) {
// return -ERESTARTSYS;
// }
return 0;
}
/*
* @description : 从设备读取数据
* @param – filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
* @param - buf : 返回给用户空间的数据缓冲区
* @param - cnt : 要读取的数据长度
* @param – offt : 相对于文件首地址的偏移
* @return : 读取的字节数,如果为负值,表示读取失败
*/
static ssize_t beep_read(struct file *filp, char __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
{
return 0;
}
/*
* @description : 向设备写数据
* @param - filp : 设备文件,表示打开的文件描述符
* @param - buf : 要写给设备写入的数据
* @param - cnt : 要写入的数据长度
* @param – offt : 相对于文件首地址的偏移
* @return : 写入的字节数,如果为负值,表示写入失败
*/
static ssize_t beep_write(struct file *filp, const char __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
{
int retvalue;
unsigned char databuf[1];
unsigned char beepstat;
struct beep_dev *dev = filp->private_data;
retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);
if(retvalue < 0) {
printk("kernel write failed!\r\n");
return -EFAULT;
}
beepstat = databuf[0]; /* 获取状态值 */
if(beepstat == BEEPON) {
gpio_set_value(dev->beep_gpio, 0); /* 打开 beep */
} else if(beepstat == BEEPOFF) {
gpio_set_value(dev->beep_gpio, 1); /* 关闭 beep */
}
return 0;
}
/*
* @description : 关闭/释放设备
* @param – filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
static int beep_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct beep_dev *dev = filp->private_data;
/* 释放信号量,信号量值加 1 */
// up(&dev->sem);
/* 释放互斥锁 */
// mutex_unlock(&dev->lock);
/* 关闭驱动文件的时候释放原子变量 */
atomic_inc(&dev->lock);
return 0;
}
/* 设备操作函数 */
static struct file_operations beep_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = beep_open,
.read = beep_read,
.write = beep_write,
.release = beep_release,
};
/*
* @description : 驱动入口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static int __init water_beep_init(void)
{
int ret = 0;
/* 初始化信号量 */
// sema_init(&beep.sem, 1);
/* 初始化互斥体 */
// mutex_init(&beep.lock);
/* 初始化原子变量 */
atomic_set(&beep.lock, 1); /* 原子变量初始值为 1 */
/* 设置 beep 所使用的 GPIO */
/* 1、获取设备节点: beep */
beep.nd = of_find_node_by_path("/beep");
if(beep.nd == NULL) {
printk("beep node cant not found!\r\n");
return -EINVAL;
} else {
printk("beep node has been found!\r\n");
}
/* 2、 获取设备树中的 gpio 属性,得到 LED 所使用的 LED 编号 */
beep.beep_gpio = of_get_named_gpio(beep.nd, "beep-gpio", 0);
if(beep.beep_gpio < 0) {
printk("can't get beep-gpio");
return -EINVAL;
}
printk("beep num = %d\r\n", beep.beep_gpio);
/* 3、设置 GPIO5_IO01 为输出,并且输出高电平,默认关闭 beep */
ret = gpio_direction_output(beep.beep_gpio, 1);
if(ret < 0) {
printk("can't set gpio!\r\n");
}
/* 注册字符设备驱动 */
/* 1、创建设备号 */
if (beep.major) { /* 定义了设备号 */
beep.devid = MKDEV(beep.major, 0);
register_chrdev_region(beep.devid, BEEP_CNT,
BEEP_NAME);
} else { /* 没有定义设备号 */
alloc_chrdev_region(&beep.devid, 0, BEEP_CNT,
BEEP_NAME); /* 申请设备号 */
beep.major = MAJOR(beep.devid); /* 获取分配号的主设备号 */
beep.minor = MINOR(beep.devid); /* 获取分配号的次设备号 */
}
printk("beep major=%d,minor=%d\r\n",beep.major,
beep.minor);
/* 2、初始化 cdev */
beep.cdev.owner = THIS_MODULE;
cdev_init(&beep.cdev, &beep_fops);
/* 3、添加一个 cdev */
cdev_add(&beep.cdev, beep.devid, BEEP_CNT);
/* 4、创建类 */
beep.class = class_create(THIS_MODULE, BEEP_NAME);
if (IS_ERR(beep.class)) {
return PTR_ERR(beep.class);
}
/* 5、创建设备 */
beep.device = device_create(beep.class, NULL,
beep.devid, NULL, BEEP_NAME);
if (IS_ERR(beep.device)) {
return PTR_ERR(beep.device);
}
return 0;
}
/*
* @description : 驱动出口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static void __exit water_beep_exit(void)
{
/* 注销字符设备驱动 */
cdev_del(&beep.cdev); /* 删除 cdev */
unregister_chrdev_region(beep.devid, BEEP_CNT); /* 注销 */
device_destroy(beep.class, beep.devid);
class_destroy(beep.class);
}
module_init(water_beep_init);
module_exit(water_beep_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("water");
4.2 编译驱动
笔者使用集成kernel一起编译的,所以修改完后,直接整个kernel编译即可,读者也可以模块编译然后挂载。使用新编译的Kernel内核启动;
4.3 编写测试原子操作的app
编写测试app与2.3小结一样,重命名为atomic_beep_app.c,然后编译,并将执行文件放到根文件系统中。
arm-linux-gnueabihf-gcc atomic_beep_app.c -o atomic_beep_app
cp atomic_beep_app ../../nfs/buildrootfs/root/water_soft/beep/
4.4 运行验证
运行命令:
./atomic_beep_app /dev/beep 1&
./atomic_beep_app /dev/beep 0&
实际现象是第2个进程使用beep时会报错,除非是第1个进程已经使用完beep释放了。
五 自旋锁
5.1 编译驱动
更改<Linux开发>驱动开发 -之-基于pinctrl/gpio子系统的beep驱动驱动后如下:
/***************************************************************
Copyright © OneFu Co., Ltd. 2018-2023. All rights reserved.
文件名 : beep.c
作者 : water
版本 : V1.0
描述 : 采用 pinctrl 和 gpio 子系统驱动 beep蜂鸣器。
其他 : 无
日志 : 初版 V1.0 2023/05/28 water创建
***************************************************************/
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>
// #include <linux/semaphore.h>
#define BEEP_CNT 1 /* 设备号个数 */
#define BEEP_NAME "beep" /* 名字 */
#define BEEPOFF 0 /* 关beep */
#define BEEPON 1 /* 开beeo */
/* beep 设备结构体 */
struct beep_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 */
int beep_gpio; /* beep 所使用的 GPIO 编号 */
// struct semaphore sem; /* 信号量 */
// struct mutex lock; /* 互斥体 */
// atomic_t lock; /* 原子变量 */
int dev_stats; /* 设备状态,0,设备未使用;>0,设备已经被使用 */
spinlock_t lock; /* 自旋锁 */
};
struct beep_dev beep; /* beep 设备 */
/*
* @description : 打开设备
* @param – inode : 传递给驱动的 inode
* @param – filp : 设备文件,file 结构体有个叫做 private_data 的成员变量
* 一般在 open 的时候将 private_data 指向设备结构体。
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
static int beep_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
unsigned long flags;
/* 通过判断原子变量的值来检查 beep 有没有被别的应用使用 */
// if (!atomic_dec_and_test(&beep.lock)) {
// atomic_inc(&beep.lock);/* 小于 0 的话就加 1,使其原子变量等于 0 */
// return -EBUSY; /* beep 被使用,返回忙 */
// }
filp->private_data = &beep; /* 设置私有数据 */
/* 获取信号量,进入休眠状态的进程可以被信号打断 */
// if (down_interruptible(&beep.sem)) {
// return -ERESTARTSYS;
// }
/* 获取互斥体,可以被信号打断 */
// if (mutex_lock_interruptible(&beep.lock)) {
// return -ERESTARTSYS;
// }
spin_lock_irqsave(&beep.lock, flags); /* 上锁 */
if (beep.dev_stats) { /* 如果设备被使用了 */
spin_unlock_irqrestore(&beep.lock, flags); /* 解锁 */
return -EBUSY;
}
beep.dev_stats++; /* 如果设备没有打开,那么就标记已经打开了 */
spin_unlock_irqrestore(&beep.lock, flags);/* 解锁 */
return 0;
}
/*
* @description : 从设备读取数据
* @param – filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
* @param - buf : 返回给用户空间的数据缓冲区
* @param - cnt : 要读取的数据长度
* @param – offt : 相对于文件首地址的偏移
* @return : 读取的字节数,如果为负值,表示读取失败
*/
static ssize_t beep_read(struct file *filp, char __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
{
return 0;
}
/*
* @description : 向设备写数据
* @param - filp : 设备文件,表示打开的文件描述符
* @param - buf : 要写给设备写入的数据
* @param - cnt : 要写入的数据长度
* @param – offt : 相对于文件首地址的偏移
* @return : 写入的字节数,如果为负值,表示写入失败
*/
static ssize_t beep_write(struct file *filp, const char __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
{
int retvalue;
unsigned char databuf[1];
unsigned char beepstat;
struct beep_dev *dev = filp->private_data;
retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);
if(retvalue < 0) {
printk("kernel write failed!\r\n");
return -EFAULT;
}
beepstat = databuf[0]; /* 获取状态值 */
if(beepstat == BEEPON) {
gpio_set_value(dev->beep_gpio, 0); /* 打开 beep */
} else if(beepstat == BEEPOFF) {
gpio_set_value(dev->beep_gpio, 1); /* 关闭 beep */
}
return 0;
}
/*
* @description : 关闭/释放设备
* @param – filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
static int beep_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
unsigned long flags;
struct beep_dev *dev = filp->private_data;
/* 释放信号量,信号量值加 1 */
// up(&dev->sem);
/* 释放互斥锁 */
// mutex_unlock(&dev->lock);
/* 关闭驱动文件的时候释放原子变量 */
// atomic_inc(&dev->lock);
/* 关闭驱动文件的时候将 dev_stats 减 1 */
spin_lock_irqsave(&dev->lock, flags); /* 上锁 */
if (dev->dev_stats) {
dev->dev_stats--;
}
spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags);/* 解锁 */
return 0;
}
/* 设备操作函数 */
static struct file_operations beep_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = beep_open,
.read = beep_read,
.write = beep_write,
.release = beep_release,
};
/*
* @description : 驱动入口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static int __init water_beep_init(void)
{
int ret = 0;
/* 初始化信号量 */
// sema_init(&beep.sem, 1);
/* 初始化互斥体 */
// mutex_init(&beep.lock);
/* 初始化原子变量 */
// atomic_set(&beep.lock, 1); /* 原子变量初始值为 1 */
/* 初始化自旋锁 */
spin_lock_init(&beep.lock);
/* 设置 beep 所使用的 GPIO */
/* 1、获取设备节点: beep */
beep.nd = of_find_node_by_path("/beep");
if(beep.nd == NULL) {
printk("beep node cant not found!\r\n");
return -EINVAL;
} else {
printk("beep node has been found!\r\n");
}
/* 2、 获取设备树中的 gpio 属性,得到 LED 所使用的 LED 编号 */
beep.beep_gpio = of_get_named_gpio(beep.nd, "beep-gpio", 0);
if(beep.beep_gpio < 0) {
printk("can't get beep-gpio");
return -EINVAL;
}
printk("beep num = %d\r\n", beep.beep_gpio);
/* 3、设置 GPIO5_IO01 为输出,并且输出高电平,默认关闭 beep */
ret = gpio_direction_output(beep.beep_gpio, 1);
if(ret < 0) {
printk("can't set gpio!\r\n");
}
/* 注册字符设备驱动 */
/* 1、创建设备号 */
if (beep.major) { /* 定义了设备号 */
beep.devid = MKDEV(beep.major, 0);
register_chrdev_region(beep.devid, BEEP_CNT,
BEEP_NAME);
} else { /* 没有定义设备号 */
alloc_chrdev_region(&beep.devid, 0, BEEP_CNT,
BEEP_NAME); /* 申请设备号 */
beep.major = MAJOR(beep.devid); /* 获取分配号的主设备号 */
beep.minor = MINOR(beep.devid); /* 获取分配号的次设备号 */
}
printk("beep major=%d,minor=%d\r\n",beep.major,
beep.minor);
/* 2、初始化 cdev */
beep.cdev.owner = THIS_MODULE;
cdev_init(&beep.cdev, &beep_fops);
/* 3、添加一个 cdev */
cdev_add(&beep.cdev, beep.devid, BEEP_CNT);
/* 4、创建类 */
beep.class = class_create(THIS_MODULE, BEEP_NAME);
if (IS_ERR(beep.class)) {
return PTR_ERR(beep.class);
}
/* 5、创建设备 */
beep.device = device_create(beep.class, NULL,
beep.devid, NULL, BEEP_NAME);
if (IS_ERR(beep.device)) {
return PTR_ERR(beep.device);
}
return 0;
}
/*
* @description : 驱动出口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static void __exit water_beep_exit(void)
{
/* 注销字符设备驱动 */
cdev_del(&beep.cdev); /* 删除 cdev */
unregister_chrdev_region(beep.devid, BEEP_CNT); /* 注销 */
device_destroy(beep.class, beep.devid);
class_destroy(beep.class);
}
module_init(water_beep_init);
module_exit(water_beep_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("water");
5.2 编译驱动
笔者使用集成kernel一起编译的,所以修改完后,直接整个kernel编译即可,读者也可以模块编译然后挂载。使用新编译的Kernel内核启动;
5.3 编写测试自旋锁的app
编写测试app与2.3小结一样,重命名为spinlock_beep_app.c,然后编译,并将执行文件放到根文件系统中。
arm-linux-gnueabihf-gcc spinlock_beep_app.c -o spinlock_beep_app
cp spinlock_beep_app ../../nfs/buildrootfs/root/water_soft/beep/
5.4 运行验证
运行命令:
./spinlock_beep_app /dev/beep 1&
./spinlock_beep_app /dev/beep 0&
实际现象是第2个进程使用beep时会报错,除非是第1个进程已经使用完beep释放了。
六 LED互斥资源
针对资源的互斥访问问题,在经过前面4个测试案例,后续开发kernel实际使用,beep驱动使用自旋锁,而led驱动使用原子变量方式。
led驱动更改后如下:
/***************************************************************
Copyright © OneFu Co., Ltd. 2018-2023. All rights reserved.
文件名 : gpioled.c
作者 : water
版本 : V1.0
描述 : 采用 pinctrl 和 gpio 子系统驱动 LED 灯。
其他 : 无
日志 : 初版 V1.0 2023/05/24 water创建
***************************************************************/
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>
#define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
#define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
#define LEDOFF 0 /* 关灯 */
#define LEDON 1 /* 开灯 */
/* gpioled 设备结构体 */
struct gpioled_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 */
int led_gpio; /* led 所使用的 GPIO 编号 */
atomic_t lock; /* 原子变量 */
};
struct gpioled_dev gpioled; /* led 设备 */
/*
* @description : 打开设备
* @param – inode : 传递给驱动的 inode
* @param – filp : 设备文件,file 结构体有个叫做 private_data 的成员变量
* 一般在 open 的时候将 private_data 指向设备结构体。
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
/* 通过判断原子变量的值来检查 LED 有没有被别的应用使用 */
if (!atomic_dec_and_test(&gpioled.lock)) {
atomic_inc(&gpioled.lock);/* 小于 0 的话就加 1,使其原子变量等于 0 */
return -EBUSY; /* LED 被使用,返回忙 */
}
filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 */
return 0;
}
/*
* @description : 从设备读取数据
* @param – filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
* @param - buf : 返回给用户空间的数据缓冲区
* @param - cnt : 要读取的数据长度
* @param – offt : 相对于文件首地址的偏移
* @return : 读取的字节数,如果为负值,表示读取失败
*/
static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
{
return 0;
}
/*
* @description : 向设备写数据
* @param - filp : 设备文件,表示打开的文件描述符
* @param - buf : 要写给设备写入的数据
* @param - cnt : 要写入的数据长度
* @param – offt : 相对于文件首地址的偏移
* @return : 写入的字节数,如果为负值,表示写入失败
*/
static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
{
int retvalue;
unsigned char databuf[1];
unsigned char ledstat;
struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);
if(retvalue < 0) {
printk("kernel write failed!\r\n");
return -EFAULT;
}
ledstat = databuf[0]; /* 获取状态值 */
if(ledstat == LEDON) {
gpio_set_value(dev->led_gpio, 0); /* 打开 LED 灯 */
} else if(ledstat == LEDOFF) {
gpio_set_value(dev->led_gpio, 1); /* 关闭 LED 灯 */
}
return 0;
}
/*
* @description : 关闭/释放设备
* @param – filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
/* 关闭驱动文件的时候释放原子变量 */
atomic_inc(&dev->lock);
return 0;
}
/* 设备操作函数 */
static struct file_operations gpioled_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = led_open,
.read = led_read,
.write = led_write,
.release = led_release,
};
/*
* @description : 驱动入口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static int __init water_led_init(void)
{
int ret = 0;
/* 初始化原子变量 */
atomic_set(&gpioled.lock, 1); /* 原子变量初始值为 1 */
/* 设置 LED 所使用的 GPIO */
/* 1、获取设备节点:gpioled */
gpioled.nd = of_find_node_by_path("/gpioled");
if(gpioled.nd == NULL) {
printk("gpioled node cant not found!\r\n");
return -EINVAL;
} else {
printk("gpioled node has been found!\r\n");
}
/* 2、 获取设备树中的 gpio 属性,得到 LED 所使用的 LED 编号 */
gpioled.led_gpio = of_get_named_gpio(gpioled.nd, "led-gpio", 0);
if(gpioled.led_gpio < 0) {
printk("can't get led-gpio");
return -EINVAL;
}
printk("led-gpio num = %d\r\n", gpioled.led_gpio);
/* 3、设置 GPIO1_IO03 为输出,并且输出高电平,默认关闭 LED 灯 */
ret = gpio_direction_output(gpioled.led_gpio, 1);
if(ret < 0) {
printk("can't set gpio!\r\n");
}
/* 注册字符设备驱动 */
/* 1、创建设备号 */
if (gpioled.major) { /* 定义了设备号 */
gpioled.devid = MKDEV(gpioled.major, 0);
register_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT,
GPIOLED_NAME);
} else { /* 没有定义设备号 */
alloc_chrdev_region(&gpioled.devid, 0, GPIOLED_CNT,
GPIOLED_NAME); /* 申请设备号 */
gpioled.major = MAJOR(gpioled.devid); /* 获取分配号的主设备号 */
gpioled.minor = MINOR(gpioled.devid); /* 获取分配号的次设备号 */
}
printk("gpioled major=%d,minor=%d\r\n",gpioled.major,
gpioled.minor);
/* 2、初始化 cdev */
gpioled.cdev.owner = THIS_MODULE;
cdev_init(&gpioled.cdev, &gpioled_fops);
/* 3、添加一个 cdev */
cdev_add(&gpioled.cdev, gpioled.devid, GPIOLED_CNT);
/* 4、创建类 */
gpioled.class = class_create(THIS_MODULE, GPIOLED_NAME);
if (IS_ERR(gpioled.class)) {
return PTR_ERR(gpioled.class);
}
/* 5、创建设备 */
gpioled.device = device_create(gpioled.class, NULL,
gpioled.devid, NULL, GPIOLED_NAME);
if (IS_ERR(gpioled.device)) {
return PTR_ERR(gpioled.device);
}
return 0;
}
/*
* @description : 驱动出口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static void __exit water_led_exit(void)
{
/* 注销字符设备驱动 */
cdev_del(&gpioled.cdev); /* 删除 cdev */
unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT); /* 注销 */
device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid);
class_destroy(gpioled.class);
}
module_init(water_led_init);
module_exit(water_led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("water");
七 总结
学会如何让资源访问变得更加和,需要加入上述所说的一些方法,来让互斥访问变得合理和有效。 后续也将根据上述方法继续开发后面的驱动程序。