Linux的fasync驱动异步通知详解【转】

本文转载自：http://blog.csdn.net/coding__madman/article/details/51851338

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工作项目用有个需求是监测某个GPIO输入方波的频率！通俗的讲就是一个最最简单的测方波频率的示波器！不过只是测方波的频率！频率范围是0~200HZ,而且频率方波不是一直都是200HZ，大多数的时候可能一直是0或者一个更低频率的方波！同时要考虑到方波有可能一直维持在200HZ ，同时保持效率和性能的情况下，fasync驱动异步通知是个不错的选择，当初写demo的时候实测1K的方波完全没有问题！应用到项目中也是完全能满足需求！驱动很简单！业余时间把自己之前学到的知识总结一下！对自己也是个提高！

根据需求，驱动中实现比较简单！自己只实现open、close、fasync和read函数 ，这里只需要读取方波的频率即可！

驱动大概实现原理：方波每产生一个下降沿，产生一个中断，然后根据中断在通过异步通知应用程序，以此来测定输入方波的频率！

fansync机制的优势是能使驱动的读写和应用程序的读写分开，使得应用程序可以在驱动读写的时候去做别的事情！

下面是驱动的源码：

1. **-------File Info---------------------------------------------------------------------------------------
2. ** File Name:               gpioInt.c
3. ** Latest modified Data:    2015_11_16
4. ** Latest Version:          v1.0
5. ** Description:             NOME
6. **
7. **--------------------------------------------------------------------------------------------------------
8. ** Create By:               K
9. ** Create date:             20015-11-16
10. ** Version:                 v1.0
11. ** Descriptions:            混杂设备驱动程序 GPIO中断驱动 下降沿触发GPIO 内核会向用户空间发送一个键值
12. **                          用户态的应用程序通过读取键值来判断GPIO中断状况
13. **
14. **--------------------------------------------------------------------------------------------------------
15. *********************************************************************************************************/
16. #include<linux/init.h>
17. #include<linux/module.h>
18. #include<mach/gpio.h>
19. #include<asm/io.h>
20. #include"mach/../../mx28_pins.h"
21. #include <mach/pinctrl.h>
22. #include "mach/mx28.h"
23. #include<linux/fs.h>
24. #include <linux/io.h>
25. #include<asm/uaccess.h>
26. #include<linux/miscdevice.h>
27. #include<linux/irq.h>
28. #include<linux/sched.h>
29. #include<linux/interrupt.h>
30. #include<linux/timer.h>
31. #include <linux/kernel.h>
32. #include <linux/delay.h>
33. #include <asm/uaccess.h>
34. #include <asm/io.h>
35. /*
36. *中断事件标志，中断服务程序将它置1，在gpio_drv_read将它清0
37. */
38. static volatile int ev_press = 0;
39. /*
40. *异步结构体指针 用于读
41. */
42. static struct fasync_struct *b_async;
43. /*
44. *中断引脚描述结构体
45. */
46. struct pin_desc_s{
47. unsigned int pin;
48. unsigned int key_val;
49. unsigned int irq;
50. };
51. static unsigned char key_val;
52. struct pin_desc_s pin_desc[5] = {
53. {MXS_PIN_TO_GPIO(PINID_LCD_ENABLE),0x03,},    /* IO1 rain GPIO1_31     */
54. {MXS_PIN_TO_GPIO(PINID_LCD_HSYNC),0x05,},     /* IO2 windspeed GPIO1_29*/
55. {MXS_PIN_TO_GPIO(PINID_LCD_DOTCK),0x0A,},     /* 机箱门             */
56. {MXS_PIN_TO_GPIO(PINID_AUART3_RX),0x07,},     /* key1 GPIO3_12         */
57. {MXS_PIN_TO_GPIO(PINID_AUART3_TX),0x09,},     /* key2 GPIO3_13         */
58. };
59. static DECLARE_MUTEX(b_lock);
60. static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(b_waitq);
61. static irqreturn_t b_irq(int irq, void *dev_id)
62. {
63. struct pin_desc_s * pindesc = (struct pin_desc_s *)dev_id;
64. unsigned int pinval;
65. pinval = gpio_get_value(pindesc->pin);
66. if (pinval)
67. {
68. key_val = 1;
69. }
70. else
71. {
72. key_val = pindesc->key_val;
73. }
74. ev_press = 1;
75. wake_up_interruptible(&b_waitq);        //唤醒等待队列里面的进程
76. kill_fasync(&b_async, SIGIO, POLL_IN);  //异步通知
77. //printk("interrupt occur..........\n");
78. return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);
79. }
80. static int gpio_drv_open(struct inode *inode, struct file *file)
81. {
82. int iRet[5]={0};
83. int i = 0;
84. if (file->f_flags & O_NONBLOCK)
85. {
86. if (down_trylock(&b_lock))
87. return -EBUSY;
88. }
89. else
90. {
91. down(&b_lock);
92. }
93. for(i = 0; i < 5; i++)
94. {
95. gpio_direction_input((pin_desc[i]).pin);
96. (pin_desc[i]).irq = gpio_to_irq((pin_desc[i]).pin);
97. if ((pin_desc[i]).irq)
98. disable_irq((pin_desc[i]).irq);
99. set_irq_type((pin_desc[i]).irq, IRQF_TRIGGER_FALLING);  //下降沿中断
100. iRet[i] = request_irq((pin_desc[i]).irq, buttons_irq, IRQF_SHARED, "gpio_int", &pin_desc[i]);
101. if (iRet[i] != 0){
102. printk("request irq failed!! ret: %d  irq:%d \n", iRet[i],(pin_desc[i]).irq);
103. return -EBUSY;}
104. }
105. return 0;
106. }
107. ssize_t gpio_drv_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
108. {
109. if (size != 1)
110. return -EINVAL;
111. if (file->f_flags & O_NONBLOCK)
112. {
113. if (!ev_press)
114. return -EAGAIN;
115. }
116. else
117. {
118. wait_event_interruptible(b_waitq, ev_press);
119. }
120. copy_to_user(buf, &key_val, 1);
121. ev_press = 0;
122. return 1;
123. }
124. int gpio_drv_close(struct inode *inode, struct file *file)
125. {
126. int i = 0;
127. for( i = 0; i < 5; i++)
128. {
129. free_irq((pin_desc[i]).irq, &pin_desc[i]);
130. }
131. up(&b_lock);
132. return 0;
133. }
134. static int gpio_drv_fasync (int fd, struct file *filp, int on)
135. {
136. printk("driver: gpio_drv_successful\n");
137. return fasync_helper (fd, filp, on, &b_async);
138. }
139. static struct file_operations gpio_drv_fops = {
140. .owner      = THIS_MODULE,
141. .open       = gpio_drv_open,
142. .read       = gpio_drv_read,
143. .release    = gpio_drv_close,
144. .fasync     = gpio_drv_fasync,
145. };
146. static struct miscdevice b_miscdev =
147. {
148. .minor          = MISC_DYNAMIC_MINOR,
149. .name           = "magic-gpio",
150. .fops           = &gpio_drv_fops,
151. };
152. static int __init gpio_drv_init(void)
153. {
154. int iRet=0;
155. printk("gpio_miscdev module init!\n");
156. iRet = misc_register(&b_miscdev);
157. if (iRet) {
158. printk("register failed!\n");
159. }
160. return 0;
161. }
162. static void __exit gpio_drv_exit(void)
163. {
164. printk("gpio_miscdev module exit!\n");
165. misc_deregister(&b_miscdev);
166. }
167. module_init(gpio_drv_init);
168. module_exit(gpio_drv_exit);
169. MODULE_AUTHOR("HEHAI & RK");
170. MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
171. MODULE_DESCRIPTION("gpio interrupt module");

首先还是先从init函数来总结：该驱动是一混杂设备驱动模型来写的，这个主要是借鉴网上的好多资料都是一这种模式来写的，Linux里面misc混杂设备驱动的主设备号是为10的驱动设备，init模块首先是用 misc_register()函数注册一个一个混杂设备驱动，参数一个混杂设备驱动里面非常重要的一个数据结构 struct miscdevice,下面把原型贴出来：

1. struct miscdevice  {
2. int minor;
3. const char *name;
4. const struct file_operations *fops;
5. struct list_head list;
6. struct device *parent;
7. struct device *this_device;
8. const char *nodename;
9. mode_t mode;
10. };

当然我上面的驱动代码只初始化了前面的关键三项：

1. static struct miscdevice b_miscdev =
2. {
3. .minor          = MISC_DYNAMIC_MINOR,
4. .name           = "magic-gpio",
5. .fops           = &gpio_drv_fops,
6. };

这里先说说 .minor这个成员：定义次设备号的，这里使用了一个MISC_DYNAMIC_MINOR宏！ 这个宏的意思就是动态分配次设备号！而且这个次设备号不会超过64！实现的方法比较巧妙！这里贴出一篇相关的文章：

http://blog.csdn.NET/yongan1006/article/details/6778285 这个可以研究一下，还比较有意思！

剩下的两个name 和 fops成员对驱动开发来说就最熟悉不过了！驱动的名字和驱动的接口函数这里就不说了！

注册混杂设备驱动后就是接口函数的表演了！

这里和内核硬件相关的就是struct pin_desc_s 结构了，硬件的初始化工作比较简单，放在open函数里面了！

1. struct pin_desc_s pin_desc[5] = {
2. {MXS_PIN_TO_GPIO(PINID_LCD_ENABLE),0x03,},    /* IO1 rain GPIO1_31     */
3. {MXS_PIN_TO_GPIO(PINID_LCD_HSYNC),0x05,},     /* IO2 windspeed GPIO1_29*/
4. {MXS_PIN_TO_GPIO(PINID_LCD_DOTCK),0x0A,},     /* 机箱门             */
5. {MXS_PIN_TO_GPIO(PINID_AUART3_RX),0x07,},     /* key1 GPIO3_12         */
6. {MXS_PIN_TO_GPIO(PINID_AUART3_TX),0x09,},     /* key2 GPIO3_13         */
7. };

这里把好几个gpio接口都放到这一个里面了！都是后边加进去的！上面的是直接根据文档在内核头文件中找到GPIO引脚对应的宏定义的！后边是给GPIO设置的键值！就是当应用程序收到一个signal后，根据读取到的键值来区分是哪一个GPIO发生了中断或是有信号传过来！看看open函数：

1. static int gpio_drv_open(struct inode *inode, struct file *file)
2. {
3. int iRet[5]={0};
4. int i = 0;
5. if (file->f_flags & O_NONBLOCK)//非阻塞
6. {
7. if (down_trylock(&b_lock))
8. return -EBUSY;
9. }
10. else
11. {
12. down(&b_lock);
13. }
14. for(i = 0; i < 5; i++)
15. {
16. gpio_direction_input((pin_desc[i]).pin);//设置对应的GPIO输入
17. (pin_desc[i]).irq = gpio_to_irq((pin_desc[i]).pin);//把GPIO对应的pin值转换为相应的IRQ值并返回
18. if ((pin_desc[i]).irq)
19. disable_irq((pin_desc[i]).irq);//先关闭中断并等待中断处理完
20. set_irq_type((pin_desc[i]).irq, IRQF_TRIGGER_FALLING);  //设置下降沿中断
21. iRet[i] = request_irq((pin_desc[i]).irq, b_irq, IRQF_SHARED, "gpio_int", &pin_desc[i]);
22. if (iRet[i] != 0){
23. printk("request irq failed!! ret: %d  irq:%d \n", iRet[i],(pin_desc[i]).irq);
24. return -EBUSY;}
25. }
26. return 0;
27. }

这里可以详细了解一下关于GPIO的一些API函数：http://blog.sina.com.cn/s/blog_a6559d9201015vx9.html

request_irq函数：http://blog.csdn.net/wealoong/article/details/7566546
说说上面的request_irq函数了：

int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,
                         unsigned long irqflags, const char *devname, void *dev_id)
irq是要申请的硬件中断号。
handler是向系统注册的中断处理函数，是一个回调函数，中断发生时，系统调用这个函数，dev_id参数将被传递给它。
irqflags是中断处理的属性，SA_SHARED表示多个设备共享中断，
devname设置中断名称，通常是设备驱动程序的名称  在cat /proc/interrupts中可以看到此名称。
dev_id在中断共享时会用到，一般设置为这个设备的设备结构体或者NULL。
request_irq()返回0表示成功，返回-INVAL表示中断号无效或处理函数指针为NULL，返回-EBUSY表示中断已经被占用且不能共享。

这里用到回调函数b_irq函数就是根据响应的GPIO中断返回设置好的相应的值，这样应用程序在得到这个值的时候就可以知道是哪个GPIO发送的中断！

b_irq函数：

1. static irqreturn_t b_irq(int irq, void *dev_id)
2. {
3. struct pin_desc_s * pindesc = (struct pin_desc_s *)dev_id;
4. unsigned int pinval;
5. pinval = gpio_get_value(pindesc->pin);
6. if (pinval)
7. {
8. key_val = 1;
9. }
10. else
11. {
12. key_val = pindesc->key_val;
13. }
14. ev_press = 1;
15. wake_up_interruptible(&b_waitq);        //唤醒等待队列里面的进程
16. kill_fasync(&b_async, SIGIO, POLL_IN);  //异步通知
17. //printk("interrupt occur..........\n");
18. return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);
19. }

其中上面的b_waitq是这样定义的：

1. static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(b_waitq);//生成一个等待队列的头 名字为b_waitq

关于等待队列可以看下这篇文章：http://www.cnblogs.com/xmphoenix/archive/2011/11/20/2256419.html

其实这里有一个很关键的地方就是kill_fasync异步通知应用程序。这里有很关键的一步，可以说是整个驱动程序的核心：kill_fasync 及 fasync_helper用于异步通知中，其中 kill_fasync(&b_async,SIGIO,POLL_IN)函数的功能是向应用程序发送可读信号，还有那个进程调用fasync_helper函数就向谁发！这个可以结合应用程序是如何拿到信号的对比着看，关于应用程序这里就不说了！网上的资料也比较多讲解的也很详细！例程代码还有理论分析都有！

fansync_helpr函数内部实现：

1. int fasync_helper(int fd, struct file * filp, int on, struct fasync_struct **fapp)
2. {
3. struct fasync_struct *fa, **fp;
4. struct fasync_struct *new = NULL;
5. int result = 0;
6. if (on) {
7. new = kmem_cache_alloc(fasync_cache, GFP_KERNEL);
8. if (!new)
9. return -ENOMEM;
10. }
11. write_lock_irq(&fasync_lock);
12. for (fp = fapp; (fa = *fp) != NULL; fp = &fa->fa_next) {
13. if (fa->fa_file == filp) {
14. if(on) {
15. fa->fa_fd = fd;   //区分向谁发
16. kmem_cache_free(fasync_cache, new);
17. } else {
18. *fp = fa->fa_next;
19. kmem_cache_free(fasync_cache, fa);
20. result = 1;
21. }
22. goto out;
23. }
24. }
25. if (on) {
26. new->magic = FASYNC_MAGIC;
27. new->fa_file = filp;
28. new->fa_fd = fd;
29. new->fa_next = *fapp;
30. *fapp = new;
31. result = 1;
32. }
33. out:
34. write_unlock_irq(&fasync_lock);
35. return result;
36. }

kill_fasync函数里面的b_async参数：struct fasync_struct类型定义：

1. struct   fasync_struct   {
2. int magic;
3. int fa_fd;
4. struct fasync_struct *fa_next;
5. struct file   *fa_file;
6. };

这个参数在下面中也被调用：实现的fasync成员函数

1. static int gpio_drv_fasync (int fd, struct file *filp, int on)
2. {
3. printk("driver: gpio_drv_successful\n");
4. return fasync_helper (fd, filp, on, &b_async);
5. }

这也是应用程序和内核之间传参的一个关键：

要实现传参，我们需要把一个结构体struct fasync_struct添加到内核的异步队列中，这个结构体用来存放对应设备文件的信息(如fd, filp)并交给内核来管理。一但收到信号，内核就会在这个所谓的异步队列头找到相应的文件(fd)，并在filp->owner中找到对应的进程PID，并且调用对应的sig_handler了。

关于剩下的程序中用到的down() 、up() 还有 DECILARE_MUTEX(b_lock)这里简单的用到了信号量的两个简单的操作，主要是用于保护临界资源，保证中断不被丢失！

剩下的read和close都比较简单，驱动里面的函数基本都是对应的，close里面一把是释放所有申请的资源！这也是模块化驱动的一个好处！虽然这个驱动很简单！但是要仔细深究起来，里面所涉及的知识量也不小！上面也只是简单的分析总结一下！做个笔记算是对自己的一个提高，也别人在参考的时候能有一点点的帮助！

最近住的地方没网！感觉好长时间没写博客了！现在业余时间看Linux驱动设备详解，哈哈，比一年多前看的效果好多了，至少书上的好多知识多多少少都接触过！而且看起来还比较有收获，就是看了就忘！看来总结还是相当重要的！好记性不如烂笔头！