linux应用程序获取驱动数据
一、应用程序获取驱动数据的几种方式和他们的关系
Linux应用层的程序获取驱动层的数据有几种方式：1、查询 2、阻塞 3、非阻塞 4、异步通知。查询、阻塞、非阻塞都是应用层程序主动去获取驱动层的数据，异步通知是驱动主动告知应用程序。
多说一句，为什么应用程序主动去获取驱动程序要分查询、阻塞、非阻塞那么多种，这是多任务系统和驱动数据非实时性的性质决定的，一个应用程序，只是系统运行的其中一个任务，如果驱动程序一直没有数据返回，用查询死等的方式，就会导致这个应用程序的CPU占有率很高导致其他任务很卡。因此引入了阻塞的概念，就是数据还没准备好时，该应用程序进入休眠，把CPU资源让给别的任务，直到数据准备好。而非阻塞相比阻塞还多了一个定时唤醒的机制，允许休眠等待一段时间该应用程序能唤醒处理别的事情，不一定要一直挂在那里等数据。
这几种方式的关系简单描述如下：
| 应用程序主动获取数据 | 应用程序被动通知获取数据 | |
| 死等高CPU占有率 | 休眠唤醒低CPU占有率 | 4、异步通知 |
| 1、查询 | 不带定时唤醒 | 带定时唤醒 |
| 2、阻塞 | 3、非阻塞 |
二、获取数据的程序示例和机制
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查询就是简单的读不做详细说明
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阻塞
用到了休眠唤醒和等待队列的程序机制，下面是示例代码：
1、在驱动初始化函数初始化等待队列头
Wait_queue_head_t r_wait; //定义等待队列头
init_waitqueue_head(&r_wait); //初始化队列头
2、在驱动读取函数定义等待队列项并添加到队列头并进行任务切换
DECLARE_WAITQUEUE(wait,current); //定义等待队列项
add_wait_queue(&r_wait, &wait); //添加等待队列项到等待队列头
__set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); // 设置任务状态
schedule(); //进行任务切换
__set_current_state(TASK_RUNNING); //设置任务为运行状态
remove_wait_queue(&r_wait, &wait); //移除等待队列项
3、在驱动函数中断里面调用唤醒队列函数
wake_up_interruptible(&r_wait); //唤醒进程
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非阻塞
该方式就是轮询，linux下可以用poll、select处理轮询。应用程序通过select或poll函数来查询设备是否可以操作，如果可以操作的话就从设备读取或者向设备写入数据。当应用程序调用select或poll函数的时候设备驱动程序中的poll函数就会执行，因此需要在设备驱动程序中编写poll函数。下面是他们的介绍：
| 函数 | 说明 |
| int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout) | nfds：所要监视的这三类文件描述集合中，最大文件描述符加1。 readfds、writefds和exceptfds：这三个指针指向描述符集合，这三个参数指明了关心哪些描述符、需要满足哪些条件等等，这三个参数都是fd_set类型的。当我们定义好一个fd_set变量以后可以使用如下所示几个宏进行操作： void FD_ZERO(fd_set *set) void FD_SET(int fd, fd_set *set) void FD_CLR(int fd, fd_set *set) int FD_ISSET(int fd, fd_set *set) timeout:超时时间 返回值：0，表示的话就表示超时发生，但是没有任何文件描述符可以进行操作；-1，发生错误；其他值，可以进行操作的文件描述符个数。 |
| int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout) | fds：要监视的文件描述符集合以及要监视的事件,为一个数组，数组元素都是结构体pollfd类型的，pollfd结构体如下所示： struct pollfd { int fd; short events; short revents; }; fd是要监视的文件描述符，如果fd无效的话那么events监视事件也就无效，并且revents返回0。events是要监视的事件，可监视的事件类型如下所示： POLLIN 有数据可以读取。 POLLPRI 有紧急的数据需要读取。 POLLOUT 可以写数据。 POLLERR 指定的文件描述符发生错误。 POLLHUP 指定的文件描述符挂起。 POLLNVAL 无效的请求。 POLLRDNORM 等同于POLLIN nfds：poll函数要监视的文件描述符数量。 imeout：超时时间，单位为ms。 |
Select应用程序示例代码：
void main(void)
{
int ret, fd; /* 要监视的文件描述符 */
fd_set readfds; /* 读操作文件描述符集 */
struct timeval timeout; /* 超时结构体 */
fd = open("dev_xxx", O_RDWR | O_NONBLOCK); /* 非阻塞式访问 */
FD_ZERO(&readfds); /* 清除readfds */
FD_SET(fd, &readfds); /* 将fd添加到readfds里面 */
/* 构造超时时间 */
timeout.tv_sec = 0;
timeout.tv_usec = 500000; /* 500ms */
ret = select(fd + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout);
switch (ret) {
case 0: /* 超时 */
printf("timeout!\r\n");
break;
case -1: /* 错误 */
printf("error!\r\n");
break;
default: /* 可以读取数据 */
if(FD_ISSET(fd, &readfds)) { /* 判断是否为fd文件描述符 */
/* 使用read函数读取数据 */
}
break;
}
}
Poll应用程序示例代码：
void main(void)
{
int ret;
int fd; /* 要监视的文件描述符 */
struct pollfd fds;
fd = open(filename, O_RDWR | O_NONBLOCK); /* 非阻塞式访问 */
/* 构造结构体 */
fds.fd = fd;
fds.events = POLLIN; /* 监视数据是否可以读取 */
ret = poll(&fds, 1, 500); /* 轮询文件是否可操作，超时500ms */
if (ret) { /* 数据有效 */
......
/* 读取数据 */
......
} else if (ret == 0) { /* 超时 */
......
} else if (ret < 0) { /* 错误 */
......
}
}
Linux驱动下的poll操作函数
| 函数 | 说明 |
| unsigned int (*poll) (struct file *filp, struct poll_table_struct *wait) | filp：要打开的设备文件(文件描述符)。 wait：结构体poll_table_struct类型指针，由应用程序传递进来的。一般将此参数传递给poll_wait函数。 返回值:向应用程序返回设备或者资源状态，可以返回的资源状态如下： POLLIN 有数据可以读取。 POLLPRI 有紧急的数据需要读取。 POLLOUT 可以写数据。 POLLERR 指定的文件描述符发生错误。 POLLHUP 指定的文件描述符挂起。 POLLNVAL 无效的请求。 POLLRDNORM 等同于POLLIN，普通数据可读 |
| void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p) | 我们需要在驱动程序的poll函数中调用poll_wait函数，poll_wait函数不会引起阻塞，只是将应用程序添加到poll_table。参数wait_address是要添加到poll_table中的等待队列头，参数p就是poll_table，就是file_operations中poll函数的wait参数。 |
驱动示例代码：
3.1、在驱动读取函数加入非阻塞读取分支
if (filp->f_flags & O_NONBLOCK)
3.2、添加设备操作函数
static struct file_operations xxx_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = xxx_open,
.read = xxx_read,
.poll = xxx_poll,
};
3.3、编写驱动poll函数
unsigned int xxx_poll(struct file *filp, struct poll_table_struct *wait)
{
unsigned int mask = 0;
poll_wait(filp, &r_wait, wait);
if(atomic_read(xxx)) { /* 按键按下 */
mask = POLLIN | POLLRDNORM; /* 返回PLLIN */
}
return mask;
}
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异步通知
异步通知的核心是信号，信号类似于硬件的中断的机制。
| 信号类型 |
| #define SIGHUP 1 |
| #define SIGINT 2 |
| #define SIGQUIT 3 |
| #define SIGILL 4 |
| #define SIGTRAP 5 |
| #define SIGABRT 6 |
| #define SIGIOT 6 |
| #define SIGBUS 7 |
| #define SIGFPE 8 |
| #define SIGKILL 9 |
| #define SIGUSR1 10 |
| #define SIGSEGV 11 |
| #define SIGUSR2 12 |
| #define SIGPIPE 13 |
| #define SIGALRM 14 |
| #define SIGTERM 15 |
| #define SIGSTKFLT 16 |
| #define SIGCHLD 17 |
| #define SIGCONT 18 |
| #define SIGSTOP 19 |
| #define SIGTSTP 20 |
| #define SIGTTIN 21 |
| #define SIGTTOU 22 |
| #define SIGURG 23 |
| #define SIGXCPU 24 |
| #define SIGXFSZ 25 |
| #define SIGVTALRM 26 |
| #define SIGPROF 27 |
| #define SIGWINCH 28 |
| #define SIGIO 29 |
| #define SIGPOLL SIGIO |
| #define SIGPWR 30 |
| #define SIGSYS 31 |
| #define SIGUNUSED 31 |
我们使用中断的时候需要设置中断处理函数，同样的，如果要在应用程序中使用信号，那么就必须设置信号所使用的信号处理函数，在应用程序中使用signal函数来设置指定信号的处理函数。
| 函数 | 说明 |
| sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler) | signum：要设置处理函数的信号。 handler：信号的处理函数。 返回值：设置成功的话返回信号的前一个处理函数，设置失败的话返回SIG_ERR。 |
| typedef void (*sighandler_t)(int) | 信号处理函数原型 |
示例代码：
#include "stdlib.h"
#include "stdio.h"
#include "signal.h"
void sigint_handler(int num)
{
printf("xxx");
exit(0);
}
int main(void)
{
signal(SIGINT, sigint_handler);
while(1);
return 0;
}
驱动中的信号处理
1、定义一个fasync_struct结构体
struct fasync_struct {
spinlock_t fa_lock;
int magic;
int fa_fd;
struct fasync_struct *fa_next;
struct file *fa_file;
struct rcu_head fa_rcu;
};
2、在file_operations操作集中实现fasync函数
int (*fasync) (int fd, struct file *filp, int on)
fasync函数里面一般通过调用fasync_helper函数来初始化前面定义的fasync_struct结构体指针，fasync_helper函数原型如下：
int fasync_helper(int fd, struct file * filp, int on, struct fasync_struct **fapp)
fasync_helper函数的前三个参数就是fasync函数的那三个参数，第四个参数就是要初始化的fasync_struct结构体指针变量。
驱动中的fasync函数示例：
struct xxx_dev {
......
struct fasync_struct *async_queue; /* 异步相关结构体 */
};
static int xxx_fasync(int fd, struct file *filp, int on)
{
struct xxx_dev *dev = (xxx_dev)filp->private_data;
if (fasync_helper(fd, filp, on, &dev->async_queue) < 0)
return -EIO;
return 0;
}
//在关闭驱动文件的时候需要在file_operations操作集中的release函数中释放fasync_struct，
//fasync_struct的释放函数同样为fasync_helper，release函数参数参考实例如下：
static int xxx_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return xxx_fasync(-1, filp, 0); /* 删除异步通知 */
}
static struct file_operations xxx_ops = {
......
.fasync = xxx_fasync,
.release = xxx_release,
......
};
3、通过kill_fasync发送信号
| 函数 | 说明 |
| void kill_fasync(struct fasync_struct **fp, int sig, int band) | fp：要操作的fasync_struct。 sig：要发送的信号。 band：可读时设置为POLL_IN，可写时设置为POLL_OUT。 返回值：无。 |
应用程序的信号处理
1、注册信号处理函数
2、将本应用程序的进程号告诉给内核
使用fcntl(fd, F_SETOWN, getpid())将本应用程序的进程号告诉给内核。
3、开启异步通知
flags = fcntl(fd, F_GETFL);
fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC);
重点就是通过fcntl函数设置进程状态为FASYNC，经过这一步，驱动程序中的fasync函数就会执行。
示例代码：
static void xxx_signal_func(int signum)
{
......
}
int main(int argc, char *argv[])
{
......
fd = open(filename, O_RDWR);
/* 设置信号SIGIO的处理函数 */
signal(SIGIO, sigio_signal_func);
fcntl(fd, F_SETOWN, getpid()); /* 将当前进程的进程号告诉给内核 */
flags = fcntl(fd, F_GETFD); /* 获取当前的进程状态 */
fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC);/* 设置进程启用异步通知功能 */
......
}
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