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：

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  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. /*  
  37. *中断事件标志，中断服务程序将它置1，在gpio_drv_read将它清0  
  38. */  
  39. static volatile int ev_press = 0;  
  40.   
  41. /* 
  42. *异步结构体指针 用于读 
  43. */  
  44. static struct fasync_struct *b_async;  
  45.   
  46. /* 
  47. *中断引脚描述结构体 
  48. */  
  49. struct pin_desc_s{                
  50.     unsigned int pin;  
  51.     unsigned int key_val;  
  52.     unsigned int irq;  
  53. };  
  54. static unsigned char key_val;  
  55.   
  56. struct pin_desc_s pin_desc[5] = {  
  57.     {MXS_PIN_TO_GPIO(PINID_LCD_ENABLE),0x03,},    /* IO1 rain GPIO1_31     */    
  58.     {MXS_PIN_TO_GPIO(PINID_LCD_HSYNC),0x05,},     /* IO2 windspeed GPIO1_29*/  
  59.     {MXS_PIN_TO_GPIO(PINID_LCD_DOTCK),0x0A,},     /* 机箱门             */  
  60.     {MXS_PIN_TO_GPIO(PINID_AUART3_RX),0x07,},     /* key1 GPIO3_12         */   
  61.     {MXS_PIN_TO_GPIO(PINID_AUART3_TX),0x09,},     /* key2 GPIO3_13         */   
  62. };  
  63.   
  64.   
  65. static DECLARE_MUTEX(b_lock);       
  66. static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(b_waitq);  
  67.   
  68.   
  69. static irqreturn_t b_irq(int irq, void *dev_id)  
  70. {  
  71.     struct pin_desc_s * pindesc = (struct pin_desc_s *)dev_id;  
  72.     unsigned int pinval;  
  73.       
  74.     pinval = gpio_get_value(pindesc->pin);  
  75.   
  76.     if (pinval)  
  77.     {  
  78.         key_val = 1;  
  79.     }  
  80.     else  
  81.     {  
  82.         key_val = pindesc->key_val;  
  83.     }  
  84.         ev_press = 1;  
  85.         wake_up_interruptible(&b_waitq);        //唤醒等待队列里面的进程  
  86.         kill_fasync(&b_async, SIGIO, POLL_IN);  //异步通知  
  87.     //printk("interrupt occur.......... ");  
  88.     return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);  
  89. }  
  90.   
  91. static int gpio_drv_open(struct inode *inode, struct file *file)  
  92. {  
  93.     int iRet[5]={0};  
  94.     int i = 0;  
  95.   
  96.     if (file->f_flags & O_NONBLOCK)  
  97.     {  
  98.         if (down_trylock(&b_lock))  
  99.             return -EBUSY;  
  100.     }  
  101.     else  
  102.     {  
  103.         down(&b_lock);  
  104.     }  
  105.       
  106.       
  107.     for(i = 0; i < 5; i++)  
  108.     {  
  109.         gpio_direction_input((pin_desc[i]).pin);  
  110.         (pin_desc[i]).irq = gpio_to_irq((pin_desc[i]).pin);   
  111.         if ((pin_desc[i]).irq)   
  112.             disable_irq((pin_desc[i]).irq);  
  113.         set_irq_type((pin_desc[i]).irq, IRQF_TRIGGER_FALLING);  //下降沿中断  
  114.         iRet[i] = request_irq((pin_desc[i]).irq, buttons_irq, IRQF_SHARED, "gpio_int", &pin_desc[i]);  
  115.         if (iRet[i] != 0){  
  116.             printk("request irq failed!! ret: %d  irq:%d  ", iRet[i],(pin_desc[i]).irq);  
  117.         return -EBUSY;}  
  118.       
  119.     }  
  120.       
  121.       
  122.     return 0;  
  123. }  
  124.   
  125. ssize_t gpio_drv_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)  
  126. {  
  127.     if (size != 1)  
  128.         return -EINVAL;  
  129.   
  130.     if (file->f_flags & O_NONBLOCK)  
  131.     {  
  132.         if (!ev_press)  
  133.             return -EAGAIN;  
  134.     }  
  135.     else  
  136.     {  
  137.         wait_event_interruptible(b_waitq, ev_press);  
  138.     }  
  139.     copy_to_user(buf, &key_val, 1);  
  140.     ev_press = 0;  
  141.       
  142.     return 1;  
  143. }  
  144.   
  145. int gpio_drv_close(struct inode *inode, struct file *file)  
  146. {  
  147.     int i = 0;  
  148.       
  149.     for( i = 0; i < 5; i++)  
  150.     {  
  151.         free_irq((pin_desc[i]).irq, &pin_desc[i]);  
  152.     }  
  153.   
  154.     up(&b_lock);  
  155.     return 0;  
  156. }  
  157.   
  158. static int gpio_drv_fasync (int fd, struct file *filp, int on)  
  159. {  
  160.     printk("driver: gpio_drv_successful ");  
  161.     return fasync_helper (fd, filp, on, &b_async);  
  162. }  
  163.   
  164. static struct file_operations gpio_drv_fops = {  
  165.     .owner      = THIS_MODULE,  
  166.     .open       = gpio_drv_open,  
  167.     .read       = gpio_drv_read,  
  168.     .release    = gpio_drv_close,  
  169.     .fasync     = gpio_drv_fasync,  
  170. };  
  171.   
  172. static struct miscdevice b_miscdev =   
  173. {  
  174.     .minor          = MISC_DYNAMIC_MINOR,  
  175.     .name           = "magic-gpio",  
  176.     .fops           = &gpio_drv_fops,  
  177. };  
  178.   
  179. static int __init gpio_drv_init(void)  
  180. {  
  181.     int iRet=0;  
  182.     printk("gpio_miscdev module init! ");  
  183.     iRet = misc_register(&b_miscdev);  
  184.     if (iRet) {  
  185.         printk("register failed! ");  
  186.     }   
  187.     return 0;  
  188. }  
  189.   
  190. static void __exit gpio_drv_exit(void)  
  191. {  
  192.     printk("gpio_miscdev module exit! ");  
  193.     misc_deregister(&b_miscdev);  
  194. }  
  195.   
  196. module_init(gpio_drv_init);  
  197. module_exit(gpio_drv_exit);  
  198.   
  199. MODULE_AUTHOR("HEHAI & RK");  
  200. MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");  
  201. 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：
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  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：
[cpp] view plain copy
 
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  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！

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  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：
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  1. static int gpio_drv_open(struct inode *inode, struct file *file)  
  2. {  
  3.     int iRet[5]={0};  
  4.     int i = 0;  
  5.   
  6.     if (file->f_flags & O_NONBLOCK)//非阻塞  
  7.     {  
  8.         if (down_trylock(&b_lock))  
  9.             return -EBUSY;  
  10.     }  
  11.     else  
  12.     {  
  13.         down(&b_lock);  
  14.     }  
  15.       
  16.       
  17.     for(i = 0; i < 5; i++)  
  18.     {  
  19.         gpio_direction_input((pin_desc[i]).pin);//设置对应的GPIO输入  
  20.         (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  
  21.         if ((pin_desc[i]).irq)   
  22.             disable_irq((pin_desc[i]).irq);//先关闭中断并等待中断处理完  
  23.         set_irq_type((pin_desc[i]).irq, IRQF_TRIGGER_FALLING);  //设置下降沿中断  
  24.         iRet[i] = request_irq((pin_desc[i]).irq, b_irq, IRQF_SHARED, "gpio_int", &pin_desc[i]);  
  25.         if (iRet[i] != 0){  
  26.             printk("request irq failed!! ret: %d  irq:%d  ", iRet[i],(pin_desc[i]).irq);  
  27.         return -EBUSY;}  
  28.       
  29.     }  
  30.       
  31.       
  32.     return 0;  
  33. }  
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：

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  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.       
  6.     pinval = gpio_get_value(pindesc->pin);  
  7.   
  8.     if (pinval)  
  9.     {  
  10.         key_val = 1;  
  11.     }  
  12.     else  
  13.     {  
  14.         key_val = pindesc->key_val;  
  15.     }  
  16.         ev_press = 1;  
  17.         wake_up_interruptible(&b_waitq);        //唤醒等待队列里面的进程  
  18.         kill_fasync(&b_async, SIGIO, POLL_IN);  //异步通知  
  19.     //printk("interrupt occur.......... ");  
  20.     return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);  
  21. }  
其中上面的b_waitq是这样定义的：
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  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：

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  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.   
  7.     if (on) {  
  8.         new = kmem_cache_alloc(fasync_cache, GFP_KERNEL);  
  9.         if (!new)  
  10.             return -ENOMEM;  
  11.     }  
  12.     write_lock_irq(&fasync_lock);  
  13.     for (fp = fapp; (fa = *fp) != NULL; fp = &fa->fa_next) {  
  14.         if (fa->fa_file == filp) {  
  15.             if(on) {  
  16.                 fa->fa_fd = fd;   //区分向谁发  
  17.                 kmem_cache_free(fasync_cache, new);  
  18.             } else {  
  19.                 *fp = fa->fa_next;  
  20.                 kmem_cache_free(fasync_cache, fa);  
  21.                 result = 1;  
  22.             }  
  23.             goto out;  
  24.         }  
  25.     }  
  26.   
  27.     if (on) {  
  28.         new->magic = FASYNC_MAGIC;  
  29.         new->fa_file = filp;  
  30.         new->fa_fd = fd;  
  31.         new->fa_next = *fapp;  
  32.         *fapp = new;  
  33.         result = 1;  
  34.     }  
  35. out:  
  36.     write_unlock_irq(&fasync_lock);  
  37.     return result;  
  38. }  
kill_fasync函数里面的b_async参数：struct fasync_struct类型定义：
[cpp] view plain copy
 
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  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
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  1. static int gpio_drv_fasync (int fd, struct file *filp, int on)  
  2. {  
  3.     printk("driver: gpio_drv_successful ");  
  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！

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