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Linux設備驅動中的阻塞與非阻塞I/O

日期：2017/3/1 11:17:25 编辑：Linux編程

阻塞和非阻塞I/O是設備訪問的兩種不同模式，驅動程序可以靈活的支持用戶空間對設備的這兩種訪問方式

本例子講述了這兩者的區別並實現I/O的等待隊列機制，並進行了用戶空間的驗證

基本概念：

1> 阻塞操作是指在執行設備操作時，若不能獲得資源，則掛起進程直到滿足操作條件後再進行操作。被掛起的進程進入休眠，被從調度器移走，直到條件滿足。

2> 非阻塞操作在不能進行設備操作時，並不掛起，它或者放棄，或者不停地查詢，直到可以進行操作。非阻塞應用程序通常使用select系統調用查詢是否可以對設備進行無阻塞的訪問最終會引發設備驅動中poll函數執行。

1 /*
2 * a globalfifo driver as example of char device drivers
3 * This example is to introduce poll, blocking and non-blocking access
4 *
5 *The initial developer of the original code is Baohua Song
6 *<auther@linuxdriver.cn>. All Rights Reserved
7 *
8 * 1>只當FIFO 中有數據時（有進程把數據寫到這個 FIFO而且沒有被讀進程讀空）
9 * 讀進程才能把數據讀出，讀出後數據從 FIFO 中拿掉
10 * 2>只有當FIFO 非滿時（即還有空間未被讀寫或滿後被讀進程讀出了數據）
11 * 寫進程才能往裡面寫數據，
12 * 這樣讀喚醒寫寫喚醒讀
13 */
14
15 #include<linux/module.h>
16 #include<linux/types.h>
17 #include<linux/fs.h>
18 #include<linux/errno.h>
19 #include<linux/mm.h>
20 #include<linux/sched.h>
21 #include<linux/init.h>
22 #include<linux/cdev.h>
23 #include<asm/io.h>
24 #include<asm/system.h>
25 #include<asm/uaccess.h>
26 #include<linux/poll.h>
27
28 #define GLOBALFIFO_SIZE 10 /*全局fifo最大10字節不要太大方便寫滿測試*/
29 #define FIFO_CLEAR 0X1 /*清0全局內存的長度*/
30 #define GLOBALFIFO_MAJOR 249 /*預設的globalfifo 的主設備號*/
31
32 static int globalfifo_major = GLOBALFIFO_MAJOR;
33
34 /*globalfifo設備結構體*/
35 struct globalfifo_dev{
36 struct cdev cdev; /*cdev結構體*/
37 unsigned int current_len; /*fifo有效數據長度*/
38 unsigned char mem[GLOBALFIFO_SIZE]; /*全局內存*/
39 struct semaphore sem; /*並發控制用的信號量*/
40 wait_queue_head_t r_wait; /*阻塞讀用的等待隊列內核雙向循環鏈表都可以為頭*/
41 wait_queue_head_t w_wait; /*阻塞寫用的等待隊列頭*/
42 };
43
44 struct globalfifo_dev *globalfifo_devp; /*設備結構體指針*/
45
46 /*globalfifo讀函數*/
47 static ssize_t globalfifo_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
48 {
49 int ret;
50 struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data;
51 DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);
52
53 down(&dev->sem); /*獲得信號量*/
54 add_wait_queue(&dev->r_wait, &wait); /*加入讀等待隊列頭到內核*/
55
56 /*等待FIFO 非空*/
57 if(dev->current_len == 0){
58 if(filp->f_flags & O_NONBLOCK){ /*如果進程為非阻塞打開設備文件*/
59 ret = -EAGAIN;
60 goto out;
61 }
62 __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); /*改變進程狀態為睡眠*/
63 up(&dev->sem); /*釋放信號量*/
64
65 schedule(); /*調度其他進程執行*/
66 if(signal_pending(current)){
67 /*如果是因為信號喚醒*/
68 ret = -ERESTARTSYS;
69 goto out2;
70 }
71 down(&dev->sem);
72 }
73
74 /*拷貝到用戶空間*/
75 if(count > dev->current_len)
76 count = dev->current_len;
77 if(copy_to_user(buf, dev->mem, count)){
78 ret = -EFAULT;
79 goto out;
80 }else{
81 memcpy(dev->mem, dev->mem + count, dev->current_len - count);/*數據前移*/
82 dev->current_len -= count; /*有效數據長度減少*/
83 printk(KERN_INFO"read %d bytes(s),current_len:%d\n",count, dev->current_len);
84
85 wake_up_interruptible(&dev->w_wait); /*喚醒寫等待隊列*/
86 ret = count;
87 }
88 out:
89 up(&dev->sem); /*釋放信號量*/
90 out2:
91 remove_wait_queue(&dev->w_wait, &wait); /*從屬的等待隊列頭移除*/
92 set_current_state(TASK_RUNNING);
93 return ret;
94 }
95
96 /*globalfifo 寫操作*/
97 static ssize_t globalfifo_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
98 {
99 struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data;
100 int ret;
101 DECLARE_WAITQUEUE(wait, current); /*定義等待隊列*/
102
103 down(&dev->sem); /*獲得信號量*/
104 add_wait_queue(&dev->w_wait, &wait); /*進入寫等待隊列頭*/
105
106 /*等待FIFO非滿*/
107 if(dev->current_len == GLOBALFIFO_SIZE){
108 if(filp->f_flags & O_NONBLOCK){ /*如果進程非阻塞打開的文件*/
109 ret = -EAGAIN;
110 goto out;
111 }
112
113 __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); /*改變進程狀態為睡眠*/
114 up(&dev->sem); /*釋放信號量*/
115
116 schedule(); /*調度其他進程執行*/
117 if(signal_pending(current)){
118 /*如果是因為信號喚醒*/
119 ret = -ERESTARTSYS;
120 goto out2;
121 }
122 down(&dev->sem); /*獲得信號量*/
123 }
124
125 /*從用戶空間拷貝數據到內核空間*/
126 if(count > GLOBALFIFO_SIZE - dev->current_len){
127 /*如果要拷貝的數據大於剩余有效內存長度
128 *則只拷貝最大能裝下的長度
129 */
130 count = GLOBALFIFO_SIZE - dev->current_len;
131 }
132 if(copy_from_user(dev->mem + dev->current_len, buf, count)){
133 ret = -EFAULT;
134 goto out;
135 }else {
136 dev->current_len += count;
137 printk(KERN_INFO"written %d bytes(s), current_len: %d\n",count, dev->current_len);
138
139 wake_up_interruptible(&dev->r_wait); /*喚醒讀等待隊列*/
140 ret = count;
141 }
142 out:
143 up(&dev->sem); /*釋放信號量*/
144 out2:
145 remove_wait_queue(&dev->w_wait, &wait); /*從附屬的等待隊列頭移除*/
146 set_current_state(TASK_RUNNING);
147 return ret;
148 }
149
150
151 /*ioctl 設備控制函數*/
152 static int globalfifo_ioctl(struct inode *inodep,struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
153 {
154 struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data;/*獲得設備結構體指針*/
155
156 switch(cmd){
157 case FIFO_CLEAR:
158 down(&dev->sem); /*獲得信號量*/
159 dev->current_len = 0;
160 memset(dev->mem, 0, GLOBALFIFO_SIZE);
161 up(&dev->sem); /*釋放信號量*/
162
163 printk(KERN_INFO"globalfifo is set to zero\n");
164 break;
165
166 default:
167 return -EINVAL;
168 }
169 return 0;
170 }
171
172 /*在驅動中的增加輪詢操作*/
173 static unsigned int globalfifo_poll(struct file *filp, poll_table *wait)
174 {
175 unsigned int mask = 0;
176 struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data;/*獲得設備結構體指針*/
177
178 down(&dev->sem);
179 poll_wait(filp, &dev->r_wait, wait);
180 poll_wait(filp, &dev->w_wait, wait);
181
182 /*fifo非空*/
183 if(dev->current_len != 0){
184 mask |= POLLIN | POLLRDNORM; /*標示數據可以獲得*/
185 }
186
187 /*fifo 非滿*/
188 if(dev->current_len != GLOBALFIFO_SIZE){
189 mask |= POLLOUT | POLLWRNORM ; /*標示數據可以寫入*/
190 }
191
192 up(&dev->sem);
193 return mask; /*返回驅動是否可讀或可寫的狀態*/
194 }
195
196 /*文件打開函數*/
197 int globalfifo_open(struct inode *inode, struct file *filp)
198 {
199 /*讓設備結構體作為設備的私有信息*/
200 filp->private_data = globalfifo_devp;
201 return 0;
202 }
203
204 /*文件釋放函數*/
205 int globalfifo_release(struct inode *inode, struct file *filp)
206 {
207 return 0;
208 }
209
210 /*文件操作結構體*/
211 static const struct file_operations globalfifo_fops = {
212 .owner = THIS_MODULE,
213 .read = globalfifo_read,
214 .write = globalfifo_write,
215 .ioctl = globalfifo_ioctl,
216 .poll = globalfifo_poll,
217 .open = globalfifo_open,
218 .release = globalfifo_release,
219 };
220
221 /*初始化並注冊cdev*/
222 static void globalfifo_setup_cdev(struct globalfifo_dev *dev, int index)
223 {
224 int err, devno = MKDEV(globalfifo_major, index);
225
226 cdev_init(&dev->cdev, &globalfifo_fops);
227 dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
228 err = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1);
229 if(err)
230 printk(KERN_NOTICE "Error %d adding LED %d", err, index);
231 }
232
233 /*設備驅動模塊加載函數*/
234 int globalfifo_init(void)
235 {
236 int ret;
237 dev_t devno = MKDEV(globalfifo_major, 0);
238
239 /*申請設備號*/
240 if(globalfifo_major)
241 ret = register_chrdev_region(devno, 1, "globalfifo");
242 else{/*動態申請設備號*/
243 ret = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "globalfifo");
244 globalfifo_major = MAJOR(devno);
245 }
246
247 if(ret < 0)
248 return ret;
249
250 /*動態申請設備結構體的內存*/
251 globalfifo_devp = kmalloc(sizeof(struct globalfifo_dev), GFP_KERNEL);
252 if(!globalfifo_devp){
253 ret = - ENOMEM;
254 goto fail_malloc;
255 }
256
257 memset(globalfifo_devp, 0, sizeof(struct globalfifo_dev));
258
259 globalfifo_setup_cdev(globalfifo_devp, 0);
260
261 init_MUTEX(&globalfifo_devp->sem); /*初始化信號量*/
262 init_waitqueue_head(&globalfifo_devp->r_wait); /*初始化讀等待隊列頭*/
263 init_waitqueue_head(&globalfifo_devp->w_wait); /*初始化寫等待隊列頭*/
264
265 return 0;
266
267 fail_malloc: unregister_chrdev_region(devno, 1);
268 return ret;
269 }
270
271 void globalfifo_exit(void)
272 {
273 cdev_del(&globalfifo_devp->cdev); /*注銷cdev*/
274 kfree(globalfifo_devp); /*釋放設備結構體內存*/
275 unregister_chrdev_region(MKDEV(globalfifo_major, 0), 1); /*釋放設備號*/
276 }
277
278 MODULE_AUTHOR("Song Baohua");
279 MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
280
281 //module_param()
282
283 module_init(globalfifo_init);
284 module_exit(globalfifo_exit);