本帖最后由 正点原子运营 于 2023-6-9 11:29 编辑
第二十五章 Linux并发与竞争实验
1）实验平台：正点原子 DFZU2EG_4EV MPSoC开发板
2) 章节摘自【正点原子】DFZU2EG_4EV MPSoC开发板之嵌入式Linux 驱动开发指南 V1.0
6）Linux技术交流QQ群:299746173
在上一章中我们学习了Linux下的并发与竞争，并且学习了四种常用的处理并发和竞争的机制：原子操作、自旋锁、信号量和互斥体。本章我们就通过四个实验来学习如何在驱动中使用这四种机制。
25.1 原子操作实验本实验对应的例程路径为：开发板光盘资料(A盘)\4_SourceCode\3_Embedded_Linux\Linux驱动例程\7_atomic。
本例程我们在第二十三章的gpioled.c文件基础上完成。在本节使用中我们使用原子操作来实现对LED这个设备的互斥访问，也就是一次只允许一个应用程序可以使用LED灯。
25.1.1 实验程序编写1、修改设备树文件 因为本章实验是在第二十三章实验的基础上完成的，因此不需要对设备树做任何的修改。
2、LED驱动修改 本节实验在第二十三章实验驱动文件gpioled.c的基础上修改而来。首先在我们的drivers目录下新建名为“6_atomic”的文件夹，将第二十三章实验目录下的gpioled.c复制到6_atomic文件夹中，并且重命名为atomic.c。
本节实验重点就是使用atomic来实现一次只能允许一个应用访问LED，所以我们只需要在atomic.c文件源码的基础上加上添加atomic相关代码即可，完成以后的atomic.c文件内容如下所示： - 示例代码25.1.1atomic.c文件内容
- 1 /***************************************************************
- 2 Copyright © ALIENTEK Co.,Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
- 3 文件名 :atomic.c
- 4 作者 : 邓涛
- 5 版本 : V1.0
- 6 描述 : ZYNQ LED驱动文件。
- 7 其他 : 无
- 8 论坛 :www.openedv.com
- 9 日志 : 初版V1.02019/1/30 邓涛创建
- 10 ***************************************************************/
- 11
- 12 #include <linux/types.h>
- 13 #include <linux/kernel.h>
- 14 #include <linux/delay.h>
- 15 #include <linux/ide.h>
- 16 #include <linux/init.h>
- 17 #include <linux/module.h>
- 18 #include <linux/errno.h>
- 19 #include <linux/gpio.h>
- 20 #include <asm/uaccess.h>
- 21 #include <asm/io.h>
- 22 #include <linux/cdev.h>
- 23 #include <linux/of.h>
- 24 #include <linux/of_address.h>
- 25 #include <linux/of_gpio.h>
- 26
- 27 #defineGPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
- 28 #defineGPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
- 29
- 30 /* dtsled设备结构体 */
- 31 struct gpioled_dev {
- 32 dev_t devid; /* 设备号 */
- 33 struct cdev cdev; /* cdev */
- 34 struct class *class; /*类 */
- 35 struct device *device; /*设备 */
- 36 intmajor; /* 主设备号*/
- 37 intminor; /* 次设备号*/
- 38 struct device_node *nd; /* 设备节点*/
- 39 intled_gpio; /* LED所使用的GPIO编号*/
- 40 atomic64_t lock; /* 原子变量 */
- 41 };
- 42
- 43 static struct gpioled_dev gpioled; /*led设备 */
- 44
- 45 /*
- 46 *@description : 打开设备
- 47 * @param –inode : 传递给驱动的inode
- 48 * @param -filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
- 49 * 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
- 50 * @return : 0 成功;其他 失败
- 51 */
- 52 static int led_open(struct inode *inode,struct file *filp)
- 53 {
- 54 /* 通过判断原子变量的值来检查LED有没有被别的应用使用 */
- 55 if(!atomic64_dec_and_test(&gpioled.lock)){
- 56 printk(KERN_ERR"gpioled: Device isbusy!\n");
- 57 atomic64_inc(&gpioled.lock); /*小于0的话就加1,使其原子变量等于0 */
- 58 return -EBUSY; /* LED被其他应用使用，返回忙 */
- 59 }
- 60
- 61 return 0;
- 62 }
- 63
- 64 /*
- 65 *@description : 从设备读取数据
- 66 * @param -filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
- 67 * @param -buf : 返回给用户空间的数据缓冲区
- 68 * @param -cnt : 要读取的数据长度
- 69 * @param -offt : 相对于文件首地址的偏移
- 70 * @return : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败
- 71 */
- 72 static ssize_t led_read(struct file *filp,char __user *buf,
- 73 size_t cnt, loff_t *offt)
- 74 {
- 75 return 0;
- 76 }
- 77
- 78 /*
- 79 *@description : 向设备写数据
- 80 * @param -filp : 设备文件，表示打开的文件描述符
- 81 * @param -buf : 要写给设备写入的数据
- 82 * @param -cnt : 要写入的数据长度
- 83 * @param -offt : 相对于文件首地址的偏移
- 84 * @return : 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败
- 85 */
- 86 static ssize_t led_write(struct file *filp,const char __user *buf,
- 87 size_t cnt, loff_t *offt)
- 88 {
- 89 intret;
- 90 charkern_buf[1];
- 91
- 92 ret =copy_from_user(kern_buf, buf,cnt); // 得到应用层传递过来的数据
- 93 if(0 > ret) {
- 94 printk(KERN_ERR"kernel write failed!\r\n");
- 95 return -EFAULT;
- 96 }
- 97
- 98 if(0 ==kern_buf[0])
- 99 gpio_set_value(gpioled.led_gpio,0); // 如果传递过来的数据是0则关闭led
- 100 else if (1 ==kern_buf[0])
- 101 gpio_set_value(gpioled.led_gpio,1); // 如果传递过来的数据是1则点亮led
- 102
- 103 return 0;
- 104 }
- 105
- 106 /*
- 107 * @description : 关闭/释放设备
- 108 * @param –filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
- 109 * @return : 0 成功;其他 失败
- 110 */
- 111 static int led_release(struct inode *inode,struct file *filp)
- 112 {
- 113 /* 关闭驱动文件的时候释放原子变量 */
- 114 atomic64_inc(&gpioled.lock);
- 115
- 116 return 0;
- 117 }
- 118
- 119 /* 设备操作函数*/
- 120 static struct file_operations gpioled_fops ={
- 121 .owner = THIS_MODULE,
- 122 .open = led_open,
- 123 .read = led_read,
- 124 .write = led_write,
- 125 .release= led_release,
- 126 };
- 127
- 128 static int __init led_init(void)
- 129 {
- 130 const char *str;
- 131 intret;
- 132
- 133 /* 1.获取led设备节点*/
- 134 gpioled.nd= of_find_node_by_path("/led");
- 135 if(NULL == gpioled.nd){
- 136 printk(KERN_ERR"gpioled: Failed to get /lednode\n");
- 137 return -EINVAL;
- 138 }
- 139
- 140 /* 2.读取status属性*/
- 141 ret =of_property_read_string(gpioled.nd,"status",&str);
- 142 if(!ret) {
- 143 if(strcmp(str, "okay"))
- 144 return -EINVAL;
- 145 }
- 146
- 147 /* 3、获取compatible属性值并进行匹配 */
- 148 ret =of_property_read_string(gpioled.nd,"compatible",&str);
- 149 if(0 > ret) {
- 150 printk(KERN_ERR"gpioled: Failed to getcompatible property\n");
- 151 return ret;
- 152 }
- 153
- 154 if(strcmp(str, "alientek,led")){
- 155 printk(KERN_ERR"gpioled: Compatible matchfailed\n");
- 156 return -EINVAL;
- 157 }
- 158
- 159 printk(KERN_INFO"gpioled: device matchingsuccessful!\r\n");
- 160
- 161 /* 4.获取设备树中的led-gpio属性，得到LED所使用的GPIO编号*/
- 162 gpioled.led_gpio= of_get_named_gpio(gpioled.nd,"led-gpio",0);
- 163 if(!gpio_is_valid(gpioled.led_gpio)){
- 164 printk(KERN_ERR"gpioled: Failed to getled-gpio\n");
- 165 return -EINVAL;
- 166 }
- 167
- 168 printk(KERN_INFO"gpioled: led-gpio num =%d\r\n", gpioled.led_gpio);
- 169
- 170 /* 5.向gpio子系统申请使用GPIO */
- 171 ret =gpio_request(gpioled.led_gpio,"LED-GPIO");
- 172 if(ret) {
- 173 printk(KERN_ERR"gpioled: Failed to requestled-gpio\n");
- 174 return ret;
- 175 }
- 176
- 177 /* 6.将led gpio管脚设置为输出模式 */
- 178 gpio_direction_output(gpioled.led_gpio,0);
- 179
- 180 /* 7.初始化LED的默认状态*/
- 181 ret =of_property_read_string(gpioled.nd,"default-state",&str);
- 182 if(!ret) {
- 183 if (!strcmp(str,"on"))
- 184 gpio_set_value(gpioled.led_gpio,1);
- 185 else
- 186 gpio_set_value(gpioled.led_gpio,0);
- 187 }else
- 188 gpio_set_value(gpioled.led_gpio,0);
- 189
- 190 /* 8.注册字符设备驱动 */
- 191 /* 创建设备号 */
- 192 if(gpioled.major) {
- 193 gpioled.devid= MKDEV(gpioled.major,0);
- 194 ret =register_chrdev_region(gpioled.devid,GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME);
- 195 if(ret)
- 196 goto out1;
- 197 }else {
- 198 ret =alloc_chrdev_region(&gpioled.devid,0,GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME);
- 199 if(ret)
- 200 goto out1;
- 201
- 202 gpioled.major= MAJOR(gpioled.devid);
- 203 gpioled.minor= MINOR(gpioled.devid);
- 204 }
- 205
- 206 printk("gpioled:major=%d,minor=%d\r\n",gpioled.major,gpioled.minor);
- 207
- 208 /* 初始化cdev */
- 209 gpioled.cdev.owner= THIS_MODULE;
- 210 cdev_init(&gpioled.cdev, &gpioled_fops);
- 211
- 212 /* 添加一个cdev */
- 213 ret =cdev_add(&gpioled.cdev,gpioled.devid,GPIOLED_CNT);
- 214 if(ret)
- 215 goto out2;
- 216
- 217 /* 创建类 */
- 218 gpioled.class= class_create(THIS_MODULE,GPIOLED_NAME);
- 219 if(IS_ERR(gpioled.class)){
- 220 ret =PTR_ERR(gpioled.class);
- 221 goto out3;
- 222 }
- 223
- 224 /* 创建设备 */
- 225 gpioled.device= device_create(gpioled.class,NULL,
- 226 gpioled.devid, NULL, GPIOLED_NAME);
- 227 if(IS_ERR(gpioled.device)){
- 228 ret =PTR_ERR(gpioled.device);
- 229 goto out4;
- 230 }
- 231
- 232 /* 9.初始化原子变量 */
- 233 atomic64_set(&gpioled.lock, 1); /* 原子变量初始值为1 */
- 234
- 235 return 0;
- 236
- 237 out4:
- 238 class_destroy(gpioled.class);
- 239
- 240 out3:
- 241 cdev_del(&gpioled.cdev);
- 242
- 243 out2:
- 244 unregister_chrdev_region(gpioled.devid,GPIOLED_CNT);
- 245
- 246 out1:
- 247 gpio_free(gpioled.led_gpio);
- 248
- 249 return ret;
- 250 }
- 251
- 252 static void __exit led_exit(void)
- 253 {
- 254 /* 注销设备 */
- 255 device_destroy(gpioled.class,gpioled.devid);
- 256
- 257 /* 注销类 */
- 258 class_destroy(gpioled.class);
- 259
- 260 /* 删除cdev */
- 261 cdev_del(&gpioled.cdev);
- 262
- 263 /* 注销设备号 */
- 264 unregister_chrdev_region(gpioled.devid,GPIOLED_CNT);
- 265
- 266 /* 释放GPIO */
- 267 gpio_free(gpioled.led_gpio);
- 268 }
- 269
- 270 /* 驱动模块入口和出口函数注册 */
- 271 module_init(led_init);
- 272 module_exit(led_exit);
- 273
- 274 MODULE_AUTHOR("DengTao <773904075@qq.com>");
- 275 MODULE_DESCRIPTION("AlientekZYNQ GPIO LED Driver");
- 276 MODULE_LICENSE("GPL");
第40行，在gpioled_dev结构体中定义了一个原子变量lock，用来实现一次只能允许一个应用访问LED灯，led_init驱动入口函数会将lock的值设置为1。
第52~62行，每次调用open函数打开驱动设备的时候先申请lock，如果申请成功的话就表示LED灯还没有被其他的应用使用，如果申请失败就表示LED灯正在被其他的应用程序使用，并打印“gpioled: Device isbusy!”。每次打开驱动设备的时候先使用atomic_dec_and_test函数将lock减1，如果atomic_dec_and_test函数返回值为真就表示lock当前值为0，说明设备可以使用。如果atomic_dec_and_test函数返回值为假，就表示lock当前值为负数(lock值默认是1)，lock值为负数的可能性只有一个，那就是其他设备正在使用LED。其他设备正在使用LED灯，那么就只能退出了，在退出之前调用函数atomic_inc将lock加1，因为此时lock的值被减成了负数，必须要对其加1，将lock的值变为0。
第114行，LED灯使用完毕，应用程序调用close函数关闭驱动文件，led_release函数执行，调用atomic_inc释放lcok，也就是将lock加1。
第233行，初始化原子变量lock，初始值设置为1，这样每次就只允许一个应用使用LED灯。
3、编写测试APP 在6_atomic实验目录下新建名为atomicApp.c的测试APP，在里面输入如下所示内容： - 示例代码25.1.1.1 atomicApp.c文件内容
- 1 /**************************************************************
- 2 Copyright© ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
- 3 文件名 : atomicApp.c
- 4 作者 : 邓涛
- 5 版本 : V1.0
- 6 描述 : 原子变量测试APP，测试原子变量能否实现一次只允许一个
- 7 应用程序使用LED。
- 8 其他 : 无
- 9 使用方法 : ./atomicApp /dev/led 0 关闭LED
- 10 ./atomicApp /dev/led 1 打开LED
- 11 论坛 : www.openedv.com
- 12 日志 : 初版V1.02019/1/30 邓涛创建
- 13 ***************************************************************/
- 14
- 15 #include <stdio.h>
- 16 #include <unistd.h>
- 17 #include <sys/types.h>
- 18 #include <sys/stat.h>
- 19 #include <fcntl.h>
- 20 #include <stdlib.h>
- 21 #include <string.h>
- 22
- 23 /*
- 24 * @description : main主程序
- 25 * @param - argc : argv数组元素个数
- 26 * @param - argv : 具体参数
- 27 * @return : 0 成功;其他 失败
- 28 */
- 29 int main(int argc, char*argv[])
- 30 {
- 31 intfd, ret;
- 32 unsigned char buf[1];
- 33 int cnt =0;
- 34
- 35 if(3 !=argc) {
- 36 printf("Usage:\n"
- 37 "\t./ledApp /dev/led 1 @ open LED\n"
- 38 "\t./ledApp /dev/led 0 @ close LED\n"
- 39 );
- 40 return -1;
- 41 }
- 42
- 43 /* 打开设备 */
- 44 fd =open(argv[1], O_RDWR);
- 45 if(0 > fd) {
- 46 printf("file%s open failed!\r\n", argv[1]);
- 47 return -1;
- 48 }
- 49
- 50 /* 将字符串转换为int型数据*/
- 51 buf[0= atoi(argv[2]);
- 52
- 53 /* 向驱动写入数据 */
- 54 ret =write(fd, buf, sizeof(buf));
- 55 if(0 > ret){
- 56 printf("LEDControl Failed!\r\n");
- 57 close(fd);
- 58 return -1;
- 59 }
- 60
- 61 /* 模拟占用25秒LED设备*/
- 62 for( ; ; ) {
- 63 sleep(5);
- 64 cnt++;
- 65 printf("Apprunning times:%d\r\n", cnt);
- 66 if(cnt >= 5) break;
- 67 }
- 68
- 69 printf("LEDControl Finished!\r\n");
- 70
- 71 /* 关闭设备 */
- 72 close(fd);
- 73 return 0;
- 74 }
atomicApp.c中的内容就是在第二十三章的ledAPP.c的基础上修改而来的，重点是加入了第62~67行的模拟占用25秒LED设备的代码。测试APP在获取到LED设备使用权以后会使用25秒，在使用的这段时间如果有其他的应用也去获取LED灯使用权的话肯定会失败！
25.1.2 运行测试1、编译驱动程序 编写Makefile文件，将二十三章实验目录下的Makefile文件拷贝到6_atomic目录下，修改Makefile文件的obj-m变量，将obj-m变量的值设置为atomic.o，修改完成之后Makefile内容如下所示： - 示例代码25.1.2.1Makefile文件内容
- KERN_DIR:= /home/shang/git.d/linux-xlnx
- obj-m:= atomic.o
- all:
- make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules
- clean:
- make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` clean
修改完成之后保存退出，输入如下命令编译出驱动模块文件： 编译成功以后就会生成一个名为“atomic.ko”的驱动模块文件，如下所示： 2、编译测试APP 输入如下命令编译测试atomicApp.c这个测试程序： - $CC atomicApp.c -o atomicApp
编译成功以后就会生成atomicApp这个应用程序。
3、运行测试 使用scp命令将上一小节编译出来的atomic.ko和atomicApp这两个文件拷贝到开发板根文件系统/lib/modules/4.19.0目录中： - scp atomicApp atomic.ko root@192.168.2.22:/lib/modules/4.19.0
重启开发板，进入到目录/lib/modules/4.19.0中，输入如下命令加载atomic.ko驱动模块： - depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
- modprobe atomic.ko //加载驱动
驱动加载成功以后就可以使用atomicApp软件来测试驱动是否工作正常，输入如下命令以后台运行模式运行atomicApp程序，“&”表示将程序放置后台运行，不占用终端： - ./atomicApp /dev/gpioled 0 & //熄灭LED灯
输入上述命令以后查看开发板上的PS_LED1灯是否熄灭（驱动成功加载之后LED会被点亮），然后每隔5秒都会输出一行“App running times ”，如图 25.1.2所示： 从图 25.1.2中可以看出，atomicApp运行正常，输出了“App running times:1”和“App running times:2”，这就是模拟25秒占用LED设备，说明atomicApp这个软件正在使用LED灯。此时再输入如下命令关闭LED灯： - ./atomicApp /dev/gpioled 1 //点亮LED灯
输入上述命令以后会发现如图 25.1.3所示输入信息： 从图 25.1.3可以看出，打开/dev/gpioled失败！原因是在图 25.1.2中运行的atomicApp软件正在占用/dev/gpioled，也就是它正在占用LED设备，如果再次运行atomicApp软件去操作/dev/gpioled肯定会失败。必须等待图 25.1.2中的atomicApp运行结束，也就是25S结束以后其他软件才能去操作/dev/gpioled。这个就是采用原子变量实现一次只能有一个应用程序访问LED灯。
如果要卸载驱动的话输入如下命令即可： 25.2 自旋锁实验上一节我们使用原子变量实现了一次只能有一个应用程序访问LED灯，本节我们使用自旋锁来实现此功能。在使用自旋锁之前，先回顾一下自旋锁的使用注意事项： ①、自旋锁保护的临界区要尽可能的短，因此在open函数中申请自旋锁，然后在release函数中释放自旋锁的方法就不可取。我们可以使用一个变量来表示设备的使用情况，如果设备被使用了那么变量就加一，设备被释放以后变量就减1，我们只需要使用自旋锁保护这个变量即可。 ②、考虑驱动的兼容性，合理的选择API函数。
综上所述，在本节例程中，我们通过定义一个变量dev_stats表示设备的使用情况，dev_stats为0的时候表示设备没有被使用，dev_stats大于0的时候表示设备被使用。驱动open函数中先判断dev_stats是否为0，也就是判断设备是否可用，如果为0的话就使用设备，并且将dev_stats加1，表示设备被使用了。使用完以后在release函数中将dev_stats减1，表示设备没有被使用了。因此真正实现设备互斥访问的是变量dev_stats，但是我们要使用自旋锁对dev_stats来做保护。
本实验对应的例程路径为：开发板光盘资料(A盘)\4_SourceCode\3_Embedded_Linux\Linux驱动例程\7_spinlock。
25.2.1 实验程序编写1、修改设备树文件 本章实验是在上一节实验的基础上完成的，同样不需要对设备树做任何的修改。
2、LED驱动修改 本节实验在第上一节实验驱动文件atomic.c的基础上修改而来。在drivers目录下新建名为“7_spinlock”的文件夹，将6_atomic实验中的atomic.c复制到7_spinlock文件夹中，并且重命名为spinlock.c。将原来使用atomic64的地方换为spinlock即可，其他代码不需要修改，完成以后的spinlock.c文件内容如下所示(有省略)： - 示例代码25.2.1.1 spinlock.c文件内容（片段）
- ......
- 28 #define GPIOLED_CNT 1 /*设备号个数 */
- 29 #define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
- 30
- 31 /*dtsled设备结构体 */
- 32 struct gpioled_dev {
- 33 dev_tdevid; /* 设备号 */
- 34 struct cdev cdev; /* cdev */
- 35 struct class *class; /*类 */
- 36 struct device *device; /*设备 */
- 37 intmajor; /* 主设备号 */
- 38 intminor; /* 次设备号 */
- 39 struct device_node *nd; /*设备节点 */
- 40 intled_gpio; /* LED所使用的GPIO编号*/
- 41 intdev_stats; /*设备状态: 0,设备未使用; >0,设备已经被使用 */
- 42 spinlock_t lock; /*自旋锁 */
- 43 };
- 44
- 45 static struct gpioled_dev gpioled; /* led设备*/
- ......
- 54 static int led_open(struct inode *inode,struct file *filp)
- 55 {
- 56 unsigned long flags;
- 57 intret = 0;
- 58
- 59 /* 自旋锁上锁 */
- 60 spin_lock_irqsave(&gpioled.lock, flags);
- 61
- 62 /* 如果设备被使用了 */
- 63 if (gpioled.dev_stats){
- 64 printk(KERN_ERR "gpioled:Device is busy!\n");
- 65 ret = -EBUSY;
- 66 gotoout;
- 67 }
- 68
- 69 /* 如果设备没有打开，那么就标记已经打开了 */
- 70 gpioled.dev_stats++;
- 71
- 72 out:
- 73 /* 解锁 */
- 74 spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags);
- 75 returnret;
- 76 }
- ......
- 125 static int led_release(struct inode *inode,struct file *filp)
- 126 {
- 127 unsigned long flags;
- 128
- 129 /* 上锁 */
- 130 spin_lock_irqsave(&gpioled.lock, flags);
- 131
- 132 /* 关闭驱动文件的时候将dev_stats减1*/
- 133 if (gpioled.dev_stats)
- 134 gpioled.dev_stats--;
- 135
- 136 /* 解锁 */
- 137 spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags);
- 138
- 139 return0;
- 140 }
- ......
- 151 static int __init led_init(void)
- 152 {
- ......
- 255 /* 9.初始化自旋锁 */
- 256 spin_lock_init(&gpioled.lock);
- ......
- 273 }
第41行，dev_stats变量表示设备状态，如果为0的话表示设备还没有被使用，如果大于0的话就表示设备已经被使用了。
第42行，定义自旋锁变量lock。
第54~76行，在open函数中使用自旋锁实现对设备的互斥访问，第60行调用spin_lock_irqsave函数获取锁，为了考虑到驱动兼容性，这里并没有使用spin_lock函数来获取锁。第63行判断dev_stats是否大于0，如果是的话表示设备已经被使用了，那么就使用goto跳转到out处执行spin_unlock_irqrestore函数释放锁，并且返回-EBUSY。如果设备没有被使用的话就在第70行将dev_stats加1，表示设备要被使用了，然后调用spin_unlock_irqrestore函数释放锁。自旋锁的工作就是保护dev_stats变量，真正实现对设备互斥访问的是dev_stats。
第125~140行，在release函数中将dev_stats减1，表示设备被释放了，可以被其他的应用程序使用。将dev_stats减1的时候需要自旋锁对其进行保护。
第256行，在驱动入口函数led_init中调用spin_lock_init函数初始化自旋锁。
3、编写测试APP 测试APP使用25.1.1小节中的atomicApp.c即可，将6_atomic目录中的atomicApp.c文件拷贝到本例程目录中，并将atomicApp.c重命名为spinlockApp.c即可。
25.2.2 运行测试1、编译驱动程序 编写Makefile文件，将6_atomic目录下的Makefile文件拷贝本实验目录中，打开Makefile文件将obj-m变量的值改为spinlock.o，Makefile内容如下所示： - 示例代码25.2.2.1Makefile文件内容
- KERN_DIR:= /home/shang/git.d/linux-xlnx
- obj-m:= spinlock.o
- all:
- make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules
- clean:
- make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` clean
修改完成之后保存退出，输入如下命令编译出驱动模块文件： 编译成功以后就会生成一个名为“spinlock.ko”的驱动模块文件。
2、编译测试APP 输入如下命令编译测试spinlockApp.c这个测试程序： - $CC spinlockApp.c -o spinlockApp
编译成功以后就会生成spinlockApp这个应用程序。
3、运行测试 使用scp命令将上一小节编译出来的spinlock.ko和spinlockApp这两个文件拷贝到开发板根文件系统/lib/modules/4.19.0目录中： - scp spinlockApp spinlock.ko root@192.168.2.22:/lib/modules/4.19.0
重启开发板，进入到目录/lib/modules/4.19.0中，输入如下命令加载spinlock.ko驱动模块： - depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
- modprobe spinlock.ko //加载驱动
驱动加载成功以后就可以使用spinlockApp软件测试驱动是否工作正常，测试方法和25.1.2小节中一样，先输入如下命令让spinlockApp软件模拟占用25秒的LED设备： - ./spinlockApp /dev/gpioled 0 & //关闭LED灯
紧接着再输入如下命令打开LED灯： - ./spinlockApp /dev/gpioled 1 //打开LED灯
看一下能不能打开LED设备，驱动正常工作的话并不会打开LED设备，会提示你“file/dev/gpioled open failed!”，必须等待第一个spinlockApp软件运行完成(25S计时结束)才可以再次操作LED设备。
如果要卸载驱动的话输入如下命令即可： 25.3 信号量实验本节我们来使用信号量实现了一次只能有一个应用程序访问LED灯，信号量可以导致休眠，因此信号量保护的临界区没有运行时间限制，可以在驱动的open函数申请信号量，然后在release函数中释放信号量。但是信号量不能用在中断中，本节实验我们不会在中断中使用信号量。
本实验对应的例程路径为：开发板光盘资料(A盘)\4_SourceCode\3_Embedded_Linux\Linux驱动例程\8_semaphore。
25.3.1 实验程序编写1、修改设备树文件 本章实验是在上一节实验的基础上完成的，同样不需要对设备树做任何的修改。
2、LED驱动修改 本节实验在上一节实验驱动文件spinlock.c的基础上修改而来。在drivers目录下新建名为“8_semaphore”的文件夹，将7_spinlock实验中的spinlock.c复制到8_semaphore文件夹中，并且重命名为semaphore.c。将原来使用到自旋锁的地方换为信号量即可，其他的内容基本不变，完成以后的semaphore.c文件内容如下所示(有省略)： - 示例代码25.3.1.1 semaphore.c文件代码
- ……
- 12 #include <linux/types.h>
- 13 #include <linux/kernel.h>
- 14 #include <linux/delay.h>
- 15 #include <linux/ide.h>
- 16 #include <linux/init.h>
- 17 #include <linux/module.h>
- 18 #include <linux/errno.h>
- 19 #include <linux/gpio.h>
- 20 #include <asm/uaccess.h>
- 21 #include <asm/io.h>
- 22 #include <linux/cdev.h>
- 23 #include <linux/of.h>
- 24 #include <linux/of_address.h>
- 25 #include <linux/of_gpio.h>
- 26 #include <linux/semaphore.h>
- 27
- 28 #defineGPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
- 29 #defineGPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
- 30
- 31 /*dtsled设备结构体 */
- 32 structgpioled_dev {
- 33 dev_tdevid; /* 设备号 */
- 34 struct cdevcdev; /* cdev */
- 35 structclass *class; /* 类 */
- 36 structdevice *device; /* 设备 */
- 37 intmajor; /* 主设备号 */
- 38 intminor; /* 次设备号 */
- 39 structdevice_node *nd; /* 设备节点 */
- 40 intled_gpio; /* LED所使用的GPIO编号 */
- 41 structsemaphore sem; /*信号量*/
- 42 };
- 43
- 44 static structgpioled_dev gpioled; /* led设备 */
- 45
- 46 /*
- 47 * @description : 打开设备
- 48 * @param – inode : 传递给驱动的inode
- 49 * @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
- 50 * 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
- 51 * @return : 0 成功;其他 失败
- 52 */
- 53 static intled_open(struct inode *inode, struct file*filp)
- 54 {
- 55 /*获取信号量,如果获取不到则会进入休眠状态*/
- 56 if (down_interruptible(&gpioled.sem))
- 57 return -ERESTARTSYS;
- 58
- 59 #if 0
- 60 down(&gpioled.sem);
- 61 #endif
- 62
- 63 return 0;
- 64 }
- ……
- 53 static intled_open(struct inode *inode, struct file*filp)
- 54 {
- 55 /*获取信号量,如果获取不到则会进入休眠状态*/
- 56 if (down_interruptible(&gpioled.sem))
- 57 return -ERESTARTSYS;
- 58
- 59 #if 0
- 60 down(&gpioled.sem);
- 61 #endif
- 62
- 63 return 0;
- 64 }
- ……
- 113 static intled_release(struct inode *inode, struct file*filp)
- 114 {
- 115 /*释放信号量,信号量值加1*/
- 116 up(&gpioled.sem);
- 117
- 118 return 0;
- 119 }
- ……
- 130 static int__init led_init(void)
- 131 {
- ……
- 234 /* 9.初始化信号量 */
- 235 sema_init(&gpioled.sem,1);
- ……
- 252 }
- ……
第26行，要使用信号量必须添加<linux/semaphore.h>头文件。
第41行，在设备结构体中添加一个信号量成员变量sem。
第53~64行，在open函数中申请信号量，可以使用down函数，也可以使用down_interruptible函数。如果信号量值大于或等于1就表示可用，那么应用程序就会开始使用LED设备。如果信号量值为0就表示应用程序不能使用LED设备，此时应用程序就会进入到休眠状态。等到信号量值大于或等于1的时候应用程序就会唤醒，申请到信号量，获取LED设备使用权。
第116行，在release函数中调用up函数释放信号量，这样其他因为没有得到信号量而进入休眠状态的应用程序就会唤醒，获取信号量。
第235行，在驱动入口函数中调用sema_init函数初始化信号量sem的值为1，相当于sem是个二值信号量。
总结一下，当信号量sem为1的时候表示LED设备还没有被使用，如果应用程序A要使用LED设备，先调用open函数打开/dev/gpioled，这个时候会获取信号量sem，获取成功以后sem的值减1变为0。如果此时应用程序B也要使用LED设备，调用open函数打开/dev/gpioled就会因为信号量无效(值为0)而进入休眠状态。当应用程序A运行完毕，调用close函数关闭/dev/gpioled的时候就会释放信号量sem，此时信号量sem的值就会加1，变为1。信号量sem再次有效，表示其他应用程序可以使用LED设备了，此时在休眠状态的应用程序A就会被唤醒获取到信号量sem，获取成功以后就开始控制LED设备了。
3、编写测试APP 测试APP使用25.1.1小节中的atomicApp.c即可，将6_atomic中的atomicApp.c文件复制到本实验目录下中，并将atomicApp.c重命名为semaphoreApp.c即可。
25.3.2 运行测试1、编译驱动程序 编写Makefile文件，将上一小节实验目录下的Makefile文件拷贝到本实验目录8_semaphore下，打开Makefile文件将obj-m变量的值改为semaphore.o，Makefile内容如下所示： - 示例代码25.3.2.1Makefile文件内容
- KERN_DIR:= /home/shang/git.d/linux-xlnx
- obj-m:= semaphore.o
- all:
- make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules
- clean:
- make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` clean
修改完成保存退出，输入如下命令编译出驱动模块文件： 编译成功以后就会生成一个名为“semaphore.ko”的驱动模块文件。
2、编译测试APP 输入如下命令编译测试semaphoreApp.c这个测试程序： - $CC semaphoreApp.c -o semaphoreApp
编译成功以后就会生成semaphoreApp这个应用程序。
3、运行测试 使用scp命令将上一小节编译出来的semaphore.ko和semaphoreApp这两个文件拷贝到开发板根文件系统/lib/modules/4.19.0目录中： - scp semaphoreApp semaphore.ko root@192.168.2.22:/lib/modules/4.19.0
重启开发板，进入到目录/lib/modules/4.19.0中，输入如下命令加载semaphore.ko驱动模块： - depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
- modprobe semaphore.ko //加载驱动
驱动加载成功以后就可以使用semaphoreApp软件测试驱动是否工作正常，测试方法和25.1.2小节中一样，先输入如下命令让semaphoreApp软件模拟占用25S的LED灯： - ./semaphoreApp /dev/gpioled 0 & //关闭LED灯
紧接着再输入如下命令打开LED灯： - ./semaphoreApp /dev/gpioled 1 & //打开LED灯
注意两个命令都是运行在后台，第一条命令先获取到信号量，因此可以操作LED设备，将LED灯打开，并且占有25S。第二条命令因为获取信号量失败而进入休眠状态，等待第一条命令运行完毕并释放信号量以后才拥有LED设备使用权，将LED灯关闭，运行结果如图 25.3.1所示： 如果要卸载驱动的话输入如下命令即可： 25.4 互斥体实验前面我们使用原子操作、自旋锁和信号量实现了对LED设备的互斥访问，但是最适合互斥的就是互斥体mutex了。本节我们来学习一下如何使用mutex实现对LED设备的互斥访问。
本实验对应的例程路径为：开发板光盘资料(A盘)\4_SourceCode\3_Embedded_Linux\Linux驱动例程\9_mutex。
25.4.1 实验程序编写1、修改设备树文件 本章实验是在上一节实验的基础上完成的，同样不需要对设备树做任何的修改。
2、LED驱动修改 本节实验在上一节实验驱动文件semaphore.c的基础上修改而来。在drivers目录下新建名为“9_mutex”的文件夹，将8_semaphore实验中的semaphore.c复制到9_mutex文件夹中，并且重命名为mutex.c。将原来使用到信号量的地方换为mutex即可，其他的内容基本不变，完成以后的mutex.c文件内容如下所示(有省略)： - 示例代码25.4.1.1 mutex.c文件代码
- ……
- 28 #defineGPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
- 29 #defineGPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
- 30
- 31 /*dtsled设备结构体 */
- 32 structgpioled_dev {
- 33 dev_tdevid; /* 设备号 */
- 34 struct cdevcdev; /* cdev */
- 35 structclass *class; /* 类 */
- 36 structdevice *device; /* 设备 */
- 37 intmajor; /* 主设备号 */
- 38 intminor; /* 次设备号 */
- 39 structdevice_node *nd; /* 设备节点 */
- 40 intled_gpio; /* LED所使用的GPIO编号 */
- 41 structmutex lock; /*互斥体*/
- 42 };
- 44 static structgpioled_dev gpioled; /* led设备 */
- ……
- 53 static intled_open(struct inode *inode, struct file*filp)
- 54 {
- 55 /*获取互斥体，可以被信号打断*/
- 56 if (mutex_lock_interruptible(&gpioled.lock))
- 57 return -ERESTARTSYS;
- 58
- 59 #if 0
- 60 mutex_lock(&gpioled.lock); /*不能被信号打断*/
- 61 #endif
- 62
- 63 return 0;
- 64 }
- ……
- 113 static intled_release(struct inode *inode, struct file*filp)
- 114 {
- 115 /*释放互斥体*/
- 116 mutex_unlock(&gpioled.lock);
- 117
- 118 return 0;
- 119 }
- ……
- 130 static int__init led_init(void)
- 131 {
- 132 const char *str;
- 133 int ret;
- ……
- 234 /* 9.初始化信号量 */
- 235 mutex_init(&gpioled.lock);
- ……
- 251 return ret;
- 252 }
第41行，定义互斥体lock。
第53~64行，在open函数中调用mutex_lock_interruptible或者mutex_lock获取mutex，成功的话就表示可以使用LED设备，失败的话就会进入休眠状态，和信号量一样。
第116行，在release函数中调用mutex_unlock函数释放mutex，这样其他应用程序就可以获取mutex了。
第235行，在驱动入口函数中调用mutex_init初始化mutex。
互斥体和二值信号量类似，只不过互斥体是专门用于互斥访问的。
3、编写测试APP 测试APP使用25.1.1小节中的atomicApp.c即可，将6_atomic中的atomicApp.c文件拷贝到本实验目录9_mutex中，并将atomicApp.c重命名为mutexApp.c即可。
25.4.2 运行测试1、编译驱动程序 编写Makefile文件，将上一节实验目录下的Makefile文件拷贝到本实验目录下，打开Makefile文件将obj-m变量的值改为mutex.o，Makefile内容如下所示： - 示例代码25.4.2.1Makefile文件内容
- KERN_DIR:= /home/shang/git.d/linux-xlnx
- obj-m:= mutex.o
- all:
- make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules
- clean:
- make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` clean
Makefile修改完成之后保存退出，输入如下命令编译出驱动模块文件： 编译成功以后就会生成一个名为“mutex.ko”的驱动模块文件。
2、编译测试APP 输入如下命令编译测试mutexApp.c这个测试程序： - $CC mutexApp.c -o mutexApp
编译成功以后就会生成mutexApp这个应用程序。
3、运行测试 将上一小节编译出来的mutex.ko和mutexApp这两个文件拷贝到开发板根文件系统/lib/modules/4.19.0目录中，重启开发板，进入到目录/lib/modules/4.19.0中，输入如下命令加载mutex.ko驱动模块： - depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
- modprobe mutex.ko //加载驱动
驱动加载成功以后就可以使用mutexApp软件测试驱动是否工作正常，测试方法和25.3.2中测试信号量的方法一样，这里不说了！
如果要卸载驱动的话输入如下命令即可： | 
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发表于 2023-6-12 11:21:31
