Linux驱动入门（五）阻塞方式实现按键驱动

约定不等于承诺〃 2024-04-17 05:27 71阅读 0赞

**Linux驱动入门系列**

[Linux驱动入门（一）字符设备驱动基础][Linux]

[Linux驱动入门（二）操作硬件][Linux 1]

[Linux驱动入门（三）Led驱动][Linux_Led]

[Linux驱动入门（四）非阻塞方式实现按键驱动][Linux 2]

[Linux驱动入门（五）阻塞方式实现按键驱动][Linux 3]

[Linux驱动入门（六）poll机制实现按键驱动][Linux_poll]

[Linux驱动入门（七）使用定时器消除按键抖动][Linux 4]

# Linux驱动入门（五）阻塞方式实现按键驱动 #

### 文章目录 ###

*  Linux驱动入门（五）阻塞方式实现按键驱动
 *   *  一、阻塞方式实现按键驱动思路
     *  二、内核的等待队列
     *  三、注册中断
     *  四、源码
     *  五、测试

**本文目标**：实现一个阻塞的按键驱动程序，当应用调用read函数读取时阻塞等待，直到按键按下才放回

## 一、阻塞方式实现按键驱动思路 ##

上一篇文章讲解非阻塞的方式实现按键驱动，而如果以非阻塞方式实现驱动的话，应用层就需要轮询地读取，这无疑是非常耗费cpu的，本文将修改上一篇文章的驱动程序，实现一个阻塞读取的按键驱动程序，下面开始将阻塞方式的实现思路

如果应用调用read函数要阻塞，那么说明驱动程序的`button_read`也要阻塞，那么谁来唤醒？

答案是中断程序，通过向内核注册中断，当检测到按键按下时，就触发中断，中断程序读取按键的值，并唤醒`button_read`所阻塞的进程，`button_read`在放回结果给应用

关于如何阻塞和如何注册中断，下面将一一介绍

## 二、内核的等待队列 ##

要实现阻塞需要使用内核的等待队列，等待队列很早就作为一个基本的功能单位出现在Linux内核里了，它以队列为基础数据结构，与进程调度机制紧密结合，可以用来同步对系统资源的访问

Linux内核提供对等待队列的操作如下

*  定义一个”等待队列头部“
    
        wait_queue_head_t my_queue;
 *  初始化一个”等待队列头部“
    
        init_waitqueue_head(&my_queue);
    
    Linux内核提供一个更加便捷的宏定义，定义并初始化一个“等待队列头部”
    
        DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD (name)
 *  定义等待队列元素
    
        DEFINE_WAIT(name)
 *  添加/移除等待队列
    
        void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);
        void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);
 *  唤醒等待队列
    
        void wake_up(wait_queue_head_t *queue);
        void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *queue);
    
    `wake_up`可以唤醒处于`TASK_UNINTERRUPTIBLE`和`TASK_INTERRUPTIBLE`状态的进程
    
    `wake_up_interruptible`只能唤醒处于`TASK_INTERRUPTIBLE`状态的进程

下面是一个使用等待队列阻塞等待的例子

static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD (wq_head); //定义并初始化一个等待队列头
    static int condition; //等待队列唤醒条件
    
    void my_wait()
    {
        
        DEFINE_WAIT(wait); //定义一个等待队列元素
        
        while(!condition) //当条件满足时退出
        {
        
            add_wait_queue(&wq_head, &wait); //将等待队列元素加入等待队列中
            
            set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE); //设置当前进程状态
            
            schedule(); //调度进程，此时进程将睡眠，等待被唤醒
            
            /* 进程被唤醒后会再次判断条件是否满足
             * 如果满足，进程唤醒
             * 否则进程继续加入等待队列然后调度睡眠 
             */
        }
        
        set_current_state(TASK_RUNNING); //设置进程状态
    }

可以使用下面方式唤醒该进程

condition = 1;
    wake_up(&wq_head);

上述我们实现的`wait_event`函数确实有点复杂，为了方便使用，Linux内核又提供了一套等待事件的宏定义，宏定义的实现跟我们所写的`my_wait`函数类似

*  等待事件
    
        wait_event(queue, condition)
        wait_event_interruptible(queue, condition)
        wait_event_timeout(queue, condition, timeout)
        wait_event_interruptible_timeout(queue, condition, timeout)
    
    其中queue表示等待队列头，condition表示等待条件，这些宏定义的实现跟我们上面实现的`my_wait`函数是类似的
    
    需要注意的是
    
    如果使用下面宏定义等待事件
    
        wait_event(queue, condition)
        wait_event_timeout(queue, condition, timeout)
    
    需要用下面函数唤醒
    
        void wake_up(wait_queue_head_t *queue);
    
    如果使用下面宏定义等待事件
    
        wait_event_interruptible(queue, condition)
        wait_event_interruptible_timeout(queue, condition, timeout)
    
    可以使用下面函数唤醒
    
        void wake_up(wait_queue_head_t *queue);
        void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *queue);

下面再使用这些宏定义来实现我们的`my_wait`函数

static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD (wq_head); //定义并初始化一个等待队列头
    static int condition; //等待队列唤醒条件
    
    void my_wait()
    {
        
        wait_event_interruptible(wq_head, condition);
    }

唤醒可以使用下面方法

condition = 1;
    wake_up_interruptible(&wq_head);

这样子等待队列的使用就变得非常简单了

## 三、注册中断 ##

首先看Linux内核如何描述中断

*  内核对中断的描述
    
    对于每款芯片，都有自己对应的一个`irqs.h`文件
    
    例如S5PV210的文件位于`linux/arch/arm/mach-s5pv210/include/mach/irqs.h`
    
    其中使用宏定义定义了一系列的中断
    
        /* VIC0: System, DMA, Timer */
        #define IRQ_EINT0		S5P_IRQ_VIC0(0)
        #define IRQ_EINT1		S5P_IRQ_VIC0(1)
        #define IRQ_EINT2		S5P_IRQ_VIC0(2)
        ...
            
        /* VIC1: ARM, Power, Memory, Connectivity, Storage */
        ...
        #define IRQ_UART3		S5P_IRQ_VIC1(13)
        #define IRQ_IIC			S5P_IRQ_VIC1(14)
        #define IRQ_SPI0		S5P_IRQ_VIC1(15)
        ...
            
        /* VIC2: Multimedia, Audio, Security */
        #define IRQ_LCD0		S5P_IRQ_VIC2(0)
        ...
        #define IRQ_FIMC0		S5P_IRQ_VIC2(5)
        ...
            
        /* VIC3: Etc */
        ...
        #define IRQ_ADC1		S5P_IRQ_VIC3(9)
        ...
 *  内核注册中断的接口
    
    内核使用`request_irq`注册中断
    
        /*
         * irq：中断号（irqs.h）
         * irq_handler_t：中断函数 typedef irqreturn_t (*irq_handler_t)(int, void *);
         * flags：中断触发条件
         * dev：传递给中断函数的操作，如果不是共享中断，此参数允许为NULL
         */
        request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags,
        	    const char *name, void *dev)
    
    其中`typedef irqreturn_t (*irq_handler_t)(int, void *)`第一个参数为中断号，第二个参数为申请中断时传递的参数
    
    内核使用`free_irq`注销中断
    
        /*
         * irq：中断号（irqs.h）
         * dev：申请中断时传递的参数
         */
        void free_irq(unsigned int irq, void *dev);

在[Linux驱动入门（四）非阻塞方式实现按键驱动][Linux 2]中，可以看到GPIO的外部中断为外部中断2，所以可以这样注册中断

static irqreturn_t button_irq(int irq, void *data)
    {
        
        
        return IRQ_HANDLED;
    }
    
    /* 外部中断2，下降沿触发 */
    request_irq(IRQ_EINT2, button_irq, IRQF_TRIGGER_FALLING, "button", NULL);

## 四、源码 ##

#include <linux/module.h>
    #include <linux/init.h>
    #include <linux/fs.h>
    #include <linux/cdev.h>
    #include <linux/slab.h>
    #include <linux/device.h>
    #include <linux/gpio.h>
    #include <linux/interrupt.h>
    
    #include <asm/io.h>
    #include <asm/uaccess.h>
    
    static dev_t dev_id;
    static struct cdev *button_dev;
    static struct class *button_class;
    
    /* 定义并初始化一个等待队列头 */
    static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(button_wq_head);
    static int button_conditon;
    static int button_val;
    
    static irqreturn_t button_irq(int irq, void *data)
    {
        
        /* 判断等待队列中是否有等待元素 */
        if(!waitqueue_active(&button_wq_head))
            return IRQ_HANDLED;
    
        /* 读取按键值 */
        button_val = gpio_get_value(S5PV210_GPH0(2));
    
        /* 唤醒等待队列 */
        button_conditon = 1;
        wake_up_interruptible(&button_wq_head);
    
        return IRQ_HANDLED;
    }
    
    static int button_open(struct inode *inode, struct file *file)
    {
        
        int ret;
        
        ret = request_irq(IRQ_EINT2, button_irq, IRQF_TRIGGER_FALLING, "button_irq", NULL);
    
        return 0;
    }
    
    static ssize_t button_read(struct file *file, char __user *data, size_t size, loff_t *loff)
    {
        
        int ret;
        int val;
    
        /* 睡眠等待 */
        button_conditon = 0;
        wait_event_interruptible(button_wq_head, button_conditon);
        button_conditon = 0;
        
        val = button_val;
        ret = copy_to_user(data, &val, sizeof(val));
    
        return sizeof(val);
    }
    
    static int button_release(struct inode *inode, struct file *file)
    {
        
        free_irq(IRQ_EINT2, NULL);
    
        return 0;
    }
    
    static struct file_operations button_fops = {
        
    	.owner      = THIS_MODULE,
        .open       = button_open,
        .read       = button_read,
        .release    = button_release,
    };
    
    static __init int button_init(void)
    {
        
        /* 申请设备号 */
        alloc_chrdev_region(&dev_id, 1, 1, "button");
    
        /* 分配字符设备 */
        button_dev = cdev_alloc();
    
        /* 设置字符设备 */
        cdev_init(button_dev, &button_fops);
    
        /* 注册字符设备 */
        cdev_add(button_dev, dev_id, 1);
    
        /* 创建设备节点 */
    	button_class = class_create(THIS_MODULE, "button"); //创建类
    	device_create(button_class, NULL, dev_id, NULL, "button"); //创建设备节点
    
        gpio_request(S5PV210_GPH0(2), "button");
    
        return 0;
    }
    
    static __exit void button_exit(void)
    {
        
        /* 注销设备节点 */
        device_destroy(button_class, dev_id);
        class_destroy(button_class);
    
        /* 注销字符设备 */
        cdev_del(button_dev);
        kfree(button_dev);
    
        /* 注销注册的设备号 */
        unregister_chrdev_region(dev_id, 1);
    
        gpio_free(S5PV210_GPH0(2));
    }
    
    module_init(button_init);
    module_exit(button_exit);
    
    MODULE_LICENSE("GPL");

## 五、测试 ##

将上面驱动程序保存为`button_drv.c`，执行Makefile，生成`button_drv.ko`

加载模块，此时生成设备节点`/dev/button`

*  应用测试程序
    
        #include <stdio.h>
        #include <sys/types.h>
        #include <sys/stat.h>
        #include <fcntl.h>
        #include <unistd.h>
        
        #define BUTTON_DEV "/dev/button"
        
        int main(int argc, char* argv[])
        {
              
            int val;
            
            int fd = open(BUTTON_DEV, O_RDONLY);
            if(fd < 0)
            {
              
                printf("failed to open %s\n", BUTTON_DEV);
                return -1;
            }
        
            while(1)
            {
              
                read(fd, &val, sizeof(val));
                printf("read return\n");
        
                if(val == 0)
                {
              
                    printf("button press\n");
                }
            }
        
        
            close(fd);
        
            return 0;
        }
    
    编译运行
    
    效果是只有当按键按下的时候，read函数才会返回

[Linux]: https://blog.csdn.net/weixin_42462202/article/details/99887783
[Linux 1]: https://blog.csdn.net/weixin_42462202/article/details/99949396
[Linux_Led]: https://blog.csdn.net/weixin_42462202/article/details/99979562
[Linux 2]: https://blog.csdn.net/weixin_42462202/article/details/99998992
[Linux 3]: https://blog.csdn.net/weixin_42462202/article/details/100011481
[Linux_poll]: https://blog.csdn.net/weixin_42462202/article/details/100017339
[Linux 4]: https://blog.csdn.net/weixin_42462202/article/details/100019418