1.1 休眠与唤醒
1.1.1 适用场景
在前面引入中断时，我们曾经举过一个例子：
妈妈怎么知道卧室里小孩醒了？
① 时不时进房间看一下：查询方式
简单，但是累
② 进去房间陪小孩一起睡觉，小孩醒了会吵醒她：休眠-唤醒
不累，但是妈妈干不了活了
③ 妈妈要干很多活，但是可以陪小孩睡一会，定个闹钟：poll方式
要浪费点时间，但是可以继续干活。
妈妈要么是被小孩吵醒，要么是被闹钟吵醒。
④ 妈妈在客厅干活，小孩醒了他会自己走出房门告诉妈妈：异步通知
妈妈、小孩互不耽误
当应用程序必须等待某个事件发生，比如必须等待按键被按下时，可以使用“休眠-唤醒”机制：
① APP调用read等函数试图读取数据，比如读取按键；
② APP进入内核态，也就是调用驱动中的对应函数，发现有数据则复制到用户空间并马上返回；
③ 如果APP在内核态，也就是在驱动程序中发现没有数据，则APP休眠；
④ 当有数据时，比如当按下按键时，驱动程序的中断服务程序被调用，它会记录数据、唤醒APP；
⑤ APP继续运行它的内核态代码，也就是驱动程序中的函数，复制数据到用户空间并马上返回。
驱动中有数据时，下图中红线就是APP1的执行过程，涉及用户态、内核态：
驱动中没有数据时，APP1在内核态执行到drv_read时会休眠。所谓休眠就是把自己的状态改为非RUNNING，这样内核的调度器就不会让它运行。当按下按键，驱动程序中的中断服务程序被调用，它会记录数据，并唤醒APP1。所以唤醒就是把程序的状态改为RUNNING，这样内核的调度器有合适的时间就会让它运行。当APP1再次运行时，就会继续执行drv_read中剩下的代码，把数据复制回用户空间，返回用户空间。APP1的执行过程如下图的红色实线所示，它被分成了2段：
值得注意的是，上面2个图中红线部分都属于APP1的“上下文”，或者这样说：红线所涉及的代码，都是APP1调用的。但是按键的中断服务程序，不属于APP1的“上下文”，这是突如其来的，当中断发生时，APP1正在休眠呢。
在APP1的“上下文”，也就是在APP1的执行过程中，它是可以休眠的。
在中断的处理过程中，也就是gpio_key_irq的执行过程中，它不能休眠：“中断”怎么能休眠？“中断”休眠了，谁来调度其他APP啊？
所以，请记住：在中断处理函数中，不能休眠，也就不能调用会导致休眠的函数。
1.1.2 内核函数
1.1.2.1 休眠函数
参考内核源码：include\linux\wait.h。
比较重要的参数就是：
① wq：waitqueue，等待队列
休眠时除了把程序状态改为非RUNNING之外，还要把进程/进程放入wq中，以后中断服务程序要从wq中把它取出来唤醒。
没有wq的话，茫茫人海中，中断服务程序去哪里找到你？
② condition
这可以是一个变量，也可以是任何表达式。表示“一直等待，直到condition为真”。
1.1.2.2 唤醒函数
参考内核源码：include\linux\wait.h。
1.1.3 驱动框架
驱动框架如下：
要休眠的线程，放在wq队列里，中断处理函数从wq队列里把它取出来唤醒。
所以，我们要做这几件事：
① 初始化wq队列
② 在驱动的read函数中，调用wait_event_interruptible：
它本身会判断event是否为FALSE，如果为FASLE表示无数据，则休眠。
当从wait_event_interruptible返回后，把数据复制回用户空间。
③ 在中断服务程序里：
设置event为TRUE，并调用wake_up_interruptible唤醒线程。
1.1.4 编程
使用GIT命令载后，源码位于这个目录下：
01_all_series_quickstart\ 05_嵌入式Linux驱动开发基础知识\source\ 06_gpio_irq\ 02_read_key_irq\ 和 03_read_key_irq_circle_buffer
03_read_key_irq_circle_buffer使用了环型缓冲区，可以避免按键丢失。
1.1.4.1 驱动程序关键代码
02_read_key_irq\gpio_key_drv.c中，要先定义“wait queue”：
41 static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(gpio_key_wait);
在驱动的读函数里调用wait_event_interruptible：
44 static ssize_t gpio_key_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset) 45 { 46 //printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__); 47 int err; 48 49 wait_event_interruptible(gpio_key_wait, g_key); 50 err = copy_to_user(buf, &g_key, 4); 51 g_key = 0; 52 53 return 4; 54 }
第49行并不一定会进入休眠，它会先判断g_key是否为TRUE。
执行到第50行时，表示要么有了数据(g_key为TRUE)，要么有信号等待处理(本节课程不涉及信号)。
假设g_key等于0，那么APP会执行到上述代码第49行时进入休眠状态。它被谁唤醒？被控制的中断服务程序：
64 static irqreturn_t gpio_key_isr(int irq, void *dev_id) 65 { 66 struct gpio_key *gpio_key = dev_id; 67 int val; 68 val = gpiod_get_value(gpio_key->gpiod); 69 70 71 printk("key %d %d\n", gpio_key->gpio, val); 72 g_key = (gpio_key->gpio << 8) | val; 73 wake_up_interruptible(&gpio_key_wait); 74 75 return IRQ_HANDLED; 76 }
上述代码中，第72行确定按键值g_key，g_key也就变为TRUE了。
然后在第73行唤醒gpio_key_wait中的第1个线程。
注意这2个函数，一个没有使用“&”，另一个使用了“&”：
wait_event_interruptible(gpio_key_wait, g_key); wake_up_interruptible(&gpio_key_wait);
1.1.4.2 应用程序
应用程序并不复杂，调用open、read即可，代码在button_test.c中：
25 /* 2. 打开文件 */ 26 fd = open(argv[1], O_RDWR); 27 if (fd == -1) 28 { 29 printf("can not open file %s\n", argv[1]); 30 return -1; 31 } 32 33 while (1) 34 { 35 /* 3. 读文件 */ 36 read(fd, &val, 4); 37 printf("get button : 0x%x\n", val); 38 }
在33行～38行的循环中，APP基本上都是休眠状态。你可以执行top命令查看CPU占用率。
1.1.5 上机实验
跟上一节视频类似，需要先修改设备树，请使用上一节视频的设备树文件。
然后安装驱动程序，运行测试程序。
# insmod -f gpio_key_drv.ko # ls /dev/100ask_gpio_key /dev/100ask_gpio_key # ./button_test /dev/100ask_gpio_key & # top
1.1.6 使用环形缓冲区改进驱动程序
使用GIT命令载后，源码位于这个目录下：
01_all_series_quickstart\ 05_嵌入式Linux驱动开发基础知识\source\ 06_gpio_irq\ 03_read_key_irq_circle_buffer
使用环形缓冲区，可以在一定程序上避免按键数据丢失，关键代码如下：
使用环形缓冲区之后，休眠函数可以这样写：
86 wait_event_interruptible(gpio_key_wait, !is_key_buf_empty()); 87 key = get_key(); 88 err = copy_to_user(buf, &key, 4);
唤醒函数可以这样写：
111 key = (gpio_key->gpio << 8) | val; 112 put_key(key); 113 wake_up_interruptible(&gpio_key_wait);
1.2 POLL机制
使用GIT命令载后，本节源码位于这个目录下：
01_all_series_quickstart\ 05_嵌入式Linux驱动开发基础知识\source\ 06_gpio_irq\ 04_read_key_irq_poll
1.2.1 适用场景
在前面引入中断时，我们曾经举过一个例子：
妈妈怎么知道卧室里小孩醒了？
① 时不时进房间看一下：查询方式
简单，但是累
② 进去房间陪小孩一起睡觉，小孩醒了会吵醒她：休眠-唤醒
不累，但是妈妈干不了活了
③ 妈妈要干很多活，但是可以陪小孩睡一会，定个闹钟：poll方式
要浪费点时间，但是可以继续干活。
妈妈要么是被小孩吵醒，要么是被闹钟吵醒。
④ 妈妈在客厅干活，小孩醒了他会自己走出房门告诉妈妈：异步通知
妈妈、小孩互不耽误
使用休眠-唤醒的方式等待某个事件发生时，有一个缺点：等待的时间可能很久。我们可以加上一个超时时间，这时就可以使用poll机制。
① APP不知道驱动程序中是否有数据，可以先调用poll函数查询一下，poll函数可以传入超时时间；
② APP进入内核态，调用到驱动程序的poll函数，如果有数据的话立刻返回；
③ 如果发现没有数据时就休眠一段时间；
④ 当有数据时，比如当按下按键时，驱动程序的中断服务程序被调用，它会记录数据、唤醒APP；
⑤ 当超时时间到了之后，内核也会唤醒APP；
⑥ APP根据poll函数的返回值就可以知道是否有数据，如果有数据就调用read得到数据
1.2.2 使用流程
妈妈进入房间时，会先看小孩醒没醒，闹钟响之后走出房间之前又会再看小孩醒没醒。
注意：看了2次小孩！
POLL机制也是类似的，流程如下：
函数执行流程如上图①～⑧所示，重点从③开始看。假设一开始无按键数据：
③ APP调用poll之后，进入内核态；
④ 导致驱动程序的drv_poll被调用：
注意，drv_poll要把自己这个线程挂入等待队列wq中；假设不放入队列里，那以后发生中断时，中断服务程序去哪里找到你嘛？
drv_poll还会判断一下：有没有数据啊？返回这个状态。
⑤ 假设当前没有数据，则休眠一会；
⑥ 在休眠过程中，按下了按键，发生了中断：
在中断服务程序里记录了按键值，并且从wq中把线程唤醒了。
⑦ 线程从休眠中被唤醒，继续执行for循环，再次调用drv_poll：
drv_poll返回数据状态
⑧ 哦，你有数据，那从内核态返回到应用态吧
⑨ APP调用read函数读数据
如果一直没有数据，调用流程也是类似的，重点从③开始看，如下：
③ APP调用poll之后，进入内核态；
④ 导致驱动程序的drv_poll被调用：
注意，drv_poll要把自己这个线程挂入等待队列wq中；假设不放入队列里，那以后发生中断时，中断服务程序去哪里找到你嘛？
drv_poll还会判断一下：有没有数据啊？返回这个状态。
⑤ 假设当前没有数据，则休眠一会；
⑥ 在休眠过程中，一直没有按下了按键，超时时间到：内核把这个线程唤醒；
⑦ 线程从休眠中被唤醒，继续执行for循环，再次调用drv_poll：
drv_poll返回数据状态
⑧ 哦，你还是没有数据，但是超时时间到了，那从内核态返回到应用态吧
⑨ APP不能调用read函数读数据
注意几点：
① drv_poll要把线程挂入队列wq，但是并不是在drv_poll中进入休眠，而是在调用drv_poll之后休眠
② drv_poll要返回数据状态
③ APP调用一次poll，有可能会导致drv_poll被调用2次
④ 线程被唤醒的原因有2：中断发生了去队列wq中把它唤醒，超时时间到了内核把它唤醒
⑤ APP要判断poll返回的原因：有数据，还是超时。有数据时再去调用read函数。
1.2.3 驱动编程
使用poll机制时，驱动程序的核心就是提供对应的drv_poll函数。
在drv_poll函数中要做2件事：
① 把当前线程挂入队列wq：poll_wait
APP调用一次poll，可能导致drv_poll被调用2次，但是我们并不需要把当前线程挂入队列2次。
可以使用内核的函数poll_wait把线程挂入队列，如果线程已经在队列里了，它就不会再次挂入。
② 返回设备状态：
APP调用poll函数时，有可能是查询“有没有数据可以读”：POLLIN，也有可能是查询“你有没有空间给我写数据”：POLLOUT。
所以drv_poll要返回自己的当前状态：(POLLIN | POLLRDNORM) 或 (POLLOUT | POLLWRNORM)。
POLLRDNORM等同于POLLIN，为了兼容某些APP把它们一起返回。
POLLWRNORM等同于POLLOUT ，为了兼容某些APP把它们一起返回。
APP调用poll后，很有可能会休眠。对应的，在按键驱动的中断服务程序中，也要有唤醒操作。
驱动程序中poll的代码如下：
static unsigned int gpio_key_drv_poll(struct file *fp, poll_table * wait) { printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__); poll_wait(fp, &gpio_key_wait, wait); return is_key_buf_empty() ? 0 : POLLIN | POLLRDNORM; }
1.2.4 应用编程
注意：APP可以调用poll或select函数，这2个函数的作用是一样的。
poll/select函数可以监测多个文件，可以监测多种事件：
在调用poll函数时，要指明：
① 你要监测哪一个文件：哪一个fd
② 你想监测这个文件的哪种事件：是POLLIN、还是POLLOUT
最后，在poll函数返回时，要判断状态。
应用程序代码如下：
struct pollfd fds[1]; int timeout_ms = 5000; int ret; fds[0].fd = fd; fds[0].events = POLLIN; ret = poll(fds, 1, timeout_ms); if ((ret == 1) && (fds[0].revents & POLLIN)) { read(fd, &val, 4); printf("get button : 0x%x\n", val); }
1.2.5 现场编程
1.2.6 上机实验
1.2.7 POLL机制的内核代码详解
Linux APP系统调用，基本都可以在它的名字前加上“sys_”前缀，这就是它在内核中对应的函数。比如系统调用open、read、write、poll，与之对应的内核函数为：sys_open、sys_read、sys_write、sys_poll。
对于系统调用poll或select，它们对应的内核函数都是sys_poll。分析sys_poll，即可理解poll机制。
1.2.7.1 sys_poll函数
sys_poll位于fs/select.c文件中，代码如下：
SYSCALL_DEFINE3(poll, struct pollfd __user *, ufds, unsigned int, nfds, int, timeout_msecs) { struct timespec64 end_time, *to = NULL; int ret; if (timeout_msecs >= 0) { to = &end_time; poll_select_set_timeout(to, timeout_msecs / MSEC_PER_SEC, NSEC_PER_MSEC * (timeout_msecs % MSEC_PER_SEC)); } ret = do_sys_poll(ufds, nfds, to); ……
SYSCALL_DEFINE3是一个宏，它定义于include/linux/syscalls.h，展开后就有sys_poll函数。
sys_poll对超时参数稍作处理后，直接调用do_sys_poll。
1.2.7.2 do_sys_poll函数
do_sys_poll位于fs/select.c文件中，我们忽略其他代码，只看关键部分：
int do_sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds, struct timespec64 *end_time) { …… poll_initwait(&table); fdcount = do_poll(head, &table, end_time); poll_freewait(&table); …… }
poll_initwait函数非常简单，它初始化一个poll_wqueues变量table：
poll_initwait init_poll_funcptr(&pwq->pt, __pollwait); pt->qproc = qproc
即table->pt->qproc = __pollwait，__pollwait将在驱动的poll函数里用到。
do_poll函数才是核心，继续看代码。
1.2.7.3 do_poll函数
do_poll函数位于fs/select.c文件中，这是POLL机制中最核心的代码，贴图如下：
① 从这里开始，将会导致驱动程序的poll函数被第一次调用。
沿着②③④⑤，你可以看到：驱动程序里的poll_wait会调用__pollwait函数把线程放入某个队列。
当执行完①之后，在⑥或⑦处，pt->_qproc被设置为NULL，所以第二次调用驱动程序的poll时，不会再次把线程放入某个队列里。
⑧ 如果驱动程序的poll返回有效值，则count非0，跳出循环；
⑨ 否则休眠一段时间；当休眠时间到，或是被中断唤醒时，会再次循环、再次调用驱动程序的poll。
回顾APP的代码，APP可以指定“想等待某些事件”，poll函数返回后，可以知道“发生了哪些事件”：
驱动程序里怎么体现呢？在上上一个图中，看②位置处，细说如下：
1.3 异步通知
使用GIT命令载后，本节源码位于这个目录下：
01_all_series_quickstart\ 05_嵌入式Linux驱动开发基础知识\source\ 06_gpio_irq\ 05_read_key_irq_poll_fasync
1.3.1 适用场景
在前面引入中断时，我们曾经举过一个例子：
妈妈怎么知道卧室里小孩醒了？
① 时不时进房间看一下：查询方式
简单，但是累
② 进去房间陪小孩一起睡觉，小孩醒了会吵醒她：休眠-唤醒
不累，但是妈妈干不了活了
③ 妈妈要干很多活，但是可以陪小孩睡一会，定个闹钟：poll方式
要浪费点时间，但是可以继续干活。
妈妈要么是被小孩吵醒，要么是被闹钟吵醒。
④ 妈妈在客厅干活，小孩醒了他会自己走出房门告诉妈妈：异步通知
妈妈、小孩互不耽误
使用休眠-唤醒、POLL机制时，都需要休眠等待某个事件发生时，它们的差别在于后者可以指定休眠的时长。
在现实生活中：妈妈可以不陪小孩睡觉，小孩醒了之后可以主动通知妈妈。
如果APP不想休眠怎么办？也有类似的方法：驱动程序有数据时主动通知APP，APP收到信号后执行信息处理函数。
什么叫“异步通知”？
你去买奶茶：
你在旁边等着，眼睛盯着店员，生怕别人插队，他一做好你就知道：你是主动等待他做好，这叫“同步”。
你付钱后就去玩手机了，店员做好后他会打电话告诉你：你是被动获得结果，这叫“异步”。
1.3.2 使用流程
驱动程序怎么通知APP：发信号，这只有3个字，却可以引发很多问题：
① 谁发：驱动程序发
② 发什么：信号
③ 发什么信号：SIGIO
④ 怎么发：内核里提供有函数
⑤ 发给谁：APP，APP要把自己告诉驱动
⑥ APP收到后做什么：执行信号处理函数
⑦ 信号处理函数和信号，之间怎么挂钩：APP注册信号处理函数
小孩通知妈妈的事情有很多：饿了、渴了、想找人玩。
Linux系统中也有很多信号，在Linux内核源文件include\uapi\asm-generic\signal.h中，有很多信号的宏定义：
就APP而言，你想处理SIGIO信息，那么需要提供信号处理函数，并且要跟SIGIO挂钩。这可以通过一个signal函数来“给某个信号注册处理函数”，用法如下：
APP还要做什么事？想想这几个问题：
① 内核里有那么多驱动，你想让哪一个驱动给你发SIGIO信号？
APP要打开驱动程序的设备节点。
② 驱动程序怎么知道要发信号给你而不是别人？
APP要把自己的进程ID告诉驱动程序。
③ APP有时候想收到信号，有时候又不想收到信号：
应该可以把APP的意愿告诉驱动。
驱动程序要做什么？发信号。
① APP设置进程ID时，驱动程序要记录下进程ID；
② APP还要使能驱动程序的异步通知功能，驱动中有对应的函数：
APP打开驱动程序时，内核会创建对应的file结构体，file中有f_flags；
f_flags中有一个FASYNC位，它被设置为1时表示使能异步通知功能。
当f_flags中的FASYNC位发生变化时，驱动程序的fasync函数被调用。
③ 发生中断时，有数据时，驱动程序调用内核辅助函数发信号。
这个辅助函数名为kill_fasync。
完美！
APP收到信号后，是怎么执行信号处理函数的？
这个，很难，有兴趣的话就看本节最后的文档。初学者没必要看。
综上所述，使用异步通知，也就是使用信号的流程如下图所示：
重点从②开始：
② APP给SIGIO这个信号注册信号处理函数func，以后APP收到SIGIO信号时，这个函数会被自动调用；
③ 把APP的PID(进程ID)告诉驱动程序，这个调用不涉及驱动程序，在内核的文件系统层次记录PID；
④ 读取驱动程序文件Flag；
⑤ 设置Flag里面的FASYNC位为1：当FASYNC位发生变化时，会导致驱动程序的fasync被调用；
⑥⑦ 调用faync_helper，它会根据FAYSNC的值决定是否设置button_async->fa_file=驱动文件filp：
驱动文件filp结构体里面含有之前设置的PID。
⑧ APP可以做其他事；
⑨⑩ 按下按键，发生中断，驱动程序的中断服务程序被调用，里面调用kill_fasync发信号；
⑪⑫⑬ APP收到信号后，它的信号处理函数被自动调用，可以在里面调用read函数读取按键。
1.3.3 驱动编程
使用异步通知时，驱动程序的核心有2：
① 提供对应的drv_fasync函数；
② 并在合适的时机发信号。
drv_fasync函数很简单，调用fasync_helper函数就可以，如下：
static struct fasync_struct *button_async; static int drv_fasync (int fd, struct file *filp, int on) { return fasync_helper (fd, filp, on, &button_async); }
fasync_helper函数会分配、构造一个fasync_struct结构体button_async：
① 驱动文件的flag被设置为FAYNC时：
button_async->fa_file = filp; // filp表示驱动程序文件，里面含有之前设置的PID
② 驱动文件被设置为非FASYNC时：
button_async->fa_file = NULL;
以后想发送信号时，使用button_async作为参数就可以，它里面“可能”含有PID。
什么时候发信号呢？在本例中，在GPIO中断服务程序中发信号。
怎么发信号呢？代码如下：
kill_fasync (&button_async, SIGIO, POLL_IN);
第1个参数：button_async->fa_file非空时，可以从中得到PID，表示发给哪一个APP；
第2个参数表示发什么信号：SIGIO；
第3个参数表示为什么发信号：POLL_IN，有数据可以读了。(APP用不到这个参数)
