編寫按鍵中斷驅動——異步機制

硬件平臺：韋東山嵌入式Linxu開發板（S3C2440.v3）
軟件平臺：運行於VMware Workstation 12 Player下UbuntuLTS16.04_x64 系統
參考資料：《嵌入式Linux應用開發手冊》、《嵌入式Linux應用開發手冊第2版》
開發環境：Linux 2.6.22.6 內核、arm-linux-gcc-3.4.5-glibc-2.3.6工具鏈

一、前言

在之前按鍵中斷中的查詢方式、休眠——喚醒方式、poll機制都是屬於同步機制，就是應用程序一直在調用驅動程序。
提問：是否可以實現由驅動程序去提醒應用程序已經準備，可以調用。
回答：可以，在Linux中，可以使用異步機制，實現驅動程序通知應用程序。
場景：下面我藉助一下韋東山老師的場景來理解一下：

媽媽怎麼知道臥室裏小孩醒了？

時不時進房間看一下：查詢方式——簡單，但是累
進去房間陪小孩一起睡覺，小孩醒了會吵醒她：休眠-喚醒 ——不累，但是媽媽幹不了活了
媽媽要幹很多活，但是可以陪小孩睡一會，定個鬧鐘： poll 方式——要浪費點時間，但是可以繼續幹活。媽媽要麼是被小孩吵醒，要麼是被鬧鐘吵醒。
媽媽在客廳幹活，小孩醒了他會自己走出房門告訴媽媽：異步通知——媽媽、小孩互不耽誤

二、要點

在編程之前，我們需要對下面的問題有個清晰的答案。

1、誰發送：驅動程序發

採用異步機制的時候，驅動程序可以去提醒應用程序，可以調用。

2、發什麼：信號

這時候，驅動程序通過信號去提醒應用程序。

3、發什麼信號： SIGIO

/linux-2.6.22.6/include/asm-parisc/signal.h這個文件下定義了多種信號，而對於我們IO口的，採用SIGIO這個信號值。

#define SIGHUP		 1
#define SIGINT		 2
#define SIGQUIT		 3
#define SIGILL		 4
#define SIGTRAP		 5
#define SIGABRT		 6
#define SIGIOT		 6
#define SIGEMT		 7
#define SIGFPE		 8
#define SIGKILL		 9
#define SIGBUS		10
#define SIGSEGV		11
#define SIGSYS		12 /* Linux doesn't use this */
#define SIGPIPE		13
#define SIGALRM		14
#define SIGTERM		15
#define SIGUSR1		16
#define SIGUSR2		17
#define SIGCHLD		18
#define SIGPWR		19
#define SIGVTALRM	20
#define SIGPROF		21
#define SIGIO		22
#define SIGPOLL		SIGIO
#define SIGWINCH	23
#define SIGSTOP		24
#define SIGTSTP		25
#define SIGCONT		26
#define SIGTTIN		27
#define SIGTTOU		28
#define SIGURG		29
#define SIGLOST		30 /* Linux doesn't use this either */
#define	SIGUNUSED	31

4、怎麼發：內核裏提供有函數

在內核中了這個函數

void kill_fasync(struct fasync_struct **fp, int sig, int band);

struct fasync_struct **fp：定義一個結構體，用來區分是誰發送的，button_async->fa_file 非空時，可以從中得到 PID，表示發給哪一個 APP
int sig：上面所提到的信號值
int band：標誌位，當 FASYNC 位發生變化時，會導致驅動程序的 fasync 被調用

5、發給誰：應用程序（APP 要把自己告訴驅動）

fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());

通過getid()把進程的PID傳給驅動

6、應用程序收到後做什麼：執行信號處理函數

定義一個執行信號處理函數

void my_signal_fun(int signum)
{
	unsigned char key_val;
	read(fd, &key_val, 1);
	printf("key_val: 0x%x\n", key_val);
}

7、信號處理函數和信號，之間怎麼掛鉤：應用程序註冊信號處理函數

signal(SIGIO, my_signal_fun);
void（* signal（int sig，void（* func）（int）））（int）;

int sig：設置處理功能的信號值。
void（* func）（int）：定義一個信號處理函數

三、代碼編寫

1、驅動程序

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/irq.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/irq.h>
#include <asm/io.h>
#include <asm/arch/regs-gpio.h>
#include <asm/hardware.h>
#include <linux/poll.h>

int major;
static struct class *buttondrv_class;
static struct class_device	*buttondrv_class_dev;

volatile unsigned long *gpfcon;
volatile unsigned long *gpfdat;
volatile unsigned long *gpgcon;
volatile unsigned long *gpgdat;

static struct fasync_struct *button_async;

/* 鍵值: 按下時, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04 
 * 鍵值: 鬆開時, 0x81, 0x82, 0x83, 0x84 
 */
static unsigned char key_val;

/* 按鍵信息 */
struct pin_desc{
	unsigned int pin;
	unsigned int key_val;
};

/* 存儲4個按鍵的信息 */
struct pin_desc pins_desc[4] = {
 	{S3C2410_GPF0,  0x01},
 	{S3C2410_GPF2,  0x02},
 	{S3C2410_GPG3,  0x03},
	{S3C2410_GPG11, 0x04},
};

/* 中斷註冊信息 */
struct buttonirq_decs{
	unsigned int irq;
	unsigned long flags;
	const char *devname;
	void *dev_id;
};

struct buttonirq_decs buttonirqs_decs[4] = {
	{IRQ_EINT0,	 IRQT_BOTHEDGE, "S2", &pins_desc[0]},
	{IRQ_EINT2,	 IRQT_BOTHEDGE, "S3", &pins_desc[1]},
	{IRQ_EINT11, IRQT_BOTHEDGE, "S4", &pins_desc[2]},
	{IRQ_EINT19, IRQT_BOTHEDGE, "S5", &pins_desc[3]},
};

/* 生成一個等待隊列的隊頭，名字爲button_waitq */
static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(button_waitq);

/* 中斷事件標誌, 中斷服務程序將它置1，button_drv_read將它清0 */
static volatile int ev_press = 0;

/* 中斷服務函數 */
static irqreturn_t button_irq(int irq, void *dev_id)
{
	struct pin_desc *pindesc = (struct pin_desc *)dev_id;
	unsigned int pinval;

	pinval = s3c2410_gpio_getpin(pindesc->pin);	//讀取IO口電平

	if(pinval){
		/* 鬆開 */
		key_val = 0x80 | pindesc->key_val;
	}else{
		/* 按下 */
		key_val = pindesc->key_val;
	}

	ev_press = 1;	//發生中斷
	wake_up_interruptible(&button_waitq);   // 喚醒休眠的進程

	kill_fasync(&button_async, SIGIO, POLL_IN);	//發SIGIO信號
	
	return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);
}

/* open驅動函數 */
static int button_drv_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
	unsigned int i;
	int err;

	/* 註冊中斷 */
	for(i = 0; i < (sizeof(buttonirqs_decs)/sizeof(buttonirqs_decs[0])); i++){
		err = request_irq(buttonirqs_decs[i].irq, button_irq, buttonirqs_decs[i].flags,
					buttonirqs_decs[i].devname, buttonirqs_decs[i].dev_id);
		if(err){
			printk("func button_drv_open err: request_irq num:%d\n", i);
			break;
		}
	}

	/* 出現錯誤，釋放已經註冊的中斷 */
	if(err){
        i--;
        for (; i >= 0; i--)
            free_irq(buttonirqs_decs[i].irq, buttonirqs_decs[i].dev_id);
        return -EBUSY;
    }	
	return 0;
}

/* read驅動函數 */
static ssize_t button_drv_read(struct file *file, char __user *buf, size_t nbytes, loff_t *ppos)
{
	
	unsigned long ret = 0;
	int err;

	/* 如果沒有按鍵動作, 休眠 */
	err = wait_event_interruptible(button_waitq, ev_press);

	if (err){
			printk("func button_drv_read() err: wait_event_interruptible\n");
		return err;
	}
	

	/* 如果有按鍵動作, 返回鍵值 */
	ret = copy_to_user(buf, &key_val, 1);
	ev_press = 0;	//清中斷標誌
	
	if(ret < 0){
		printk("func button_drv_read() err: copy_to_user\n");
		return -EFAULT;
	}
	
 	return sizeof(key_val);
}

/* close驅動函數 */
int button_drv_close (struct inode *inode, struct file *file)
{
	int i;

	/* 取消中斷 */
	for(i = 0; i < (sizeof(buttonirqs_decs)/sizeof(buttonirqs_decs[0])); i++)
		free_irq(buttonirqs_decs[i].irq, buttonirqs_decs[i].dev_id);

	return 0;
}

unsigned int buton_drv_poll (struct file *file, poll_table *wait)
{
	unsigned int mask = 0;
	poll_wait(file, &button_waitq, wait); // 不會立即休眠

	/* 中斷已經發生 */
	if (ev_press)
		mask |= POLLIN | POLLRDNORM;

	return mask;	//返回給do_poll函數中的mask
}

/* 調用fasync_helper根據on值是否button_async->fa_file=驅動文件file，裏面有PID */
static int button_drv_fasync(int fd, struct file *file, int on)
{
	printk("driver: fifth_drv_fasync\n");
	return fasync_helper(fd, file, on, &button_async);
}

static struct file_operations button_drv_fops = {
	.owner   =  THIS_MODULE,    /* 這是一個宏，推向編譯模塊時自動創建的__this_module變量 */
    .open    =  button_drv_open,     
	.read    =	button_drv_read,
	.release =  button_drv_close,
	.poll    =  buton_drv_poll,
	.fasync	 =  button_drv_fasync,
};

/* 入口函數 
 * 執行”insmod button_drv.ko”命令時就會調用這個函數
 */
static int button_drv_init(void)
{
	//註冊一個字符設備，名字爲button_drv
	major = register_chrdev(0, "button_drv", &button_drv_fops);	
	
	//創建一個類，名字爲buttond_rv(/class/button_drv)
	buttondrv_class = class_create(THIS_MODULE, "button_drv");	
	
	//創建一個設備節點，名爲button(/dev/button)
	buttondrv_class_dev = class_device_create(buttondrv_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "button"); 

	/* 映射物理地址 */
	gpfcon = (volatile unsigned long *)ioremap(0x56000050, 16);
	gpfdat = gpfcon + 1;

	gpgcon = (volatile unsigned long *)ioremap(0x56000060, 16);
	gpgdat = gpgcon + 1;
	
	return 0;
}

/* 出口函數 
 * 執行”rmmod button_drv.ko”命令時就會調用這個函數
 */
static void button_drv_exit(void)
{
	unregister_chrdev(major, "button_drv"); // 卸載字符

	class_device_unregister(buttondrv_class_dev);	//刪除設備節點
	class_destroy(buttondrv_class);	//銷燬類
	
	/* 取消映射 */
	iounmap(gpfcon);
	iounmap(gpgcon);
}

module_init(button_drv_init);
module_exit(button_drv_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

2、測試（應用）程序

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <poll.h>
#include <signal.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
#include <fcntl.h>


int fd;

/* 信號處理函數 */
void my_signal_fun(int signum)
{
	int ret; 
	unsigned char key_val;
	ret = read(fd, &key_val, 1);
	if(ret < 0)
		printf(" func read() err\n");
	else
		printf("key_val = 0x%x\n", key_val);
}

int main(int argc, char **argv)
{

	int Oflags;

	signal(SIGIO, my_signal_fun);	//給SIGIO 信號註冊信號處理函數my_signal_fun
	
	fd = open("/dev/button", O_RDWR);	
	if (fd < 0)
	{
		printf("can't open!\n");
	}

	fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());	//把進程 ID 告訴驅動
		
	Oflags = fcntl(fd, F_GETFL);	//取得文件描述符filedes的文件狀態標誌
	fcntl(fd, F_SETFL, Oflags | FASYNC);	//FASYNC位發生變化時，會導致驅動程序的fasync函數被調用
	
	while (1)
	{
		sleep(1000);
	}

	return 0;
}

四、軟件執行流程

重點從②開始：

② APP 給 SIGIO 這個信號註冊信號處理函數 func，以後 APP 收到 SIGIO 信號時，這個函數會被自動調用；
③ 把 APP 的 PID(進程 ID)告訴驅動程序，這個調用不涉及驅動程序，在內核的文件系統層次記錄 PID；
④ 讀取驅動程序文件 Flag；
⑤ 設置 Flag 裏面的 FASYNC 位爲 1： 當 FASYNC 位發生變化時，會導致驅動程序的 fasync 被調用；
⑥⑦ 調用 faync_helper，它會根據 FAYSNC 的值決定是否設置 button_async->fa_file=驅動文件
filp：驅動文件 filp 結構體裏面含有之前設置的 PID。
⑧ APP 可以做其他事；
⑨⑩ 按下按鍵，發生中斷，驅動程序的中斷服務程序被調用，裏面調用 kill_fasync 發信號；
⑪⑫⑬ APP 收到信號後，它的信號處理函數被自動調用，可以在裏面調用 read 函數讀取按鍵。

第一、二期銜接——4.6 字符驅動設備之按鍵驅動—異步機制

編寫按鍵中斷驅動——異步機制

目錄

一、前言

二、要點

1、誰發送：驅動程序發

2、發什麼：信號

3、發什麼信號： SIGIO

4、怎麼發：內核裏提供有函數

5、發給誰：應用程序（APP 要把自己告訴驅動）

6、應用程序收到後做什麼：執行信號處理函數

7、信號處理函數和信號，之間怎麼掛鉤：應用程序註冊信號處理函數

三、代碼編寫

1、驅動程序

2、測試（應用）程序

四、軟件執行流程

五、程序運行截圖

測試人員都是畫畫大神，讓我看看誰還不會用代碼圖？

第三階段應用層——1.9 數碼相冊—在LCD上顯示BMP圖片

第三階段應用層——1.8 數碼相冊—在LCD上顯示JPG圖片

第三階段應用層——1.7 數碼相冊—電子書（6）—支持遠程打印信息

第三階段應用層——1.7 數碼相冊—電子書（1）—實現

第三階段應用層——1.7 數碼相冊—電子書（4）—select支持多輸入

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linux以太網驅動總結

第一、二期銜接——4.6 字符驅動設備之按鍵驅動—異步機制

編寫按鍵中斷驅動——異步機制

目錄

一、前言

二、要點

1、誰發送：驅動程序發

2、 發什麼：信號

3、 發什麼信號： SIGIO

4、怎麼發：內核裏提供有函數

5、發給誰：應用程序（APP 要把自己告訴驅動）

6、應用程序收到後做什麼：執行信號處理函數

7、信號處理函數和信號，之間怎麼掛鉤： 應用程序註冊信號處理函數

三、代碼編寫

1、驅動程序

2、測試（應用）程序

四、軟件執行流程

五、程序運行截圖

2、發什麼：信號

3、發什麼信號： SIGIO

7、信號處理函數和信號，之間怎麼掛鉤：應用程序註冊信號處理函數