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在前面博客中使用阻塞或者非阻塞的方式来读取驱动中按键值都是应用程序主动读取的，对于非阻塞方式来说还需要应用程序通过 poll 函数不断的轮询。最好的方式就是驱动程序能主动向应用程序发出通知，报告自己可以访问，然后应用程序在从驱动程序中读取或写入数据，类似于中断。 Linux 提供了异步通知这个机制来完成此功能。
异步通知
1.异步通知简介
我们首先来回顾一下“中断”，中断是处理器提供的一种异步机制，我们配置好中断以后就可以让处理器去处理其他的事情了，当中断发生以后会触发我们事先设置好的中断服务函数，在中断服务函数中做具体的处理。比如我们在裸机时编写的 GPIO 按键中断实验，我们通过按键去开关蜂鸣器，采用中断以后处理器就不需要时刻的去查看按键有没有被按下，因为按键按下以后会自动触发中断。同样的， Linux 应用程序可以通过阻塞或者非阻塞这两种方式来访问驱动设备，通过阻塞方式访问的话应用程序会处于休眠态，等待驱动设备可以使用，非阻塞方式的话会通过 poll 函数来不断的轮询，查看驱动设备文件是否可以使用。这两种方式都需要应用程序主动的去查询设备的使用情况，如果能提供一种类似中断的机制，当驱动程序可以访问的时候主动告诉应用程序那就最好了。
“信号”为此应运而生，信号类似于我们硬件上使用的“中断”，只不过信号是软件层次上的。算是在软件层次上对中断的一种模拟，驱动可以通过主动向应用程序发送信号的方式来报告自己可以访问了，应用程序获取到信号以后就可以从驱动设备中读取或者写入数据了。整个过程就相当于应用程序收到了驱动发送过来了的一个中断，然后应用程序去响应这个中断，在整个处理过程中应用程序并没有去查询驱动设备是否可以访问，一切都是由驱动设备自己告诉给应用程序的。
阻塞、非阻塞、异步通知，这三种是针对不同的场合提出来的不同的解决方法，没有优劣之分，在实际的工作和学习中，根据自己的实际需求选择合适的处理方法即可。
我们使用中断的时候需要设置中断处理函数，同样的，如果要在应用程序中使用信号，那么就必须设置信号所使用的信号处理函数，在应用程序中使用 signal 函数来设置指定信号的处理函数， signal 函数原型如下所示：
sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler)
函数参数和返回值含义如下：
signum：要设置处理函数的信号。
handler： 信号的处理函数。
返回值： 设置成功的话返回信号的前一个处理函数，设置失败的话返回 SIG_ERR。
信号处理函数原型如下所示：
typedef void (*sighandler_t)(int)
当按下键盘上的 CTRL+C 组合键以后会向当前正在占用终端的应用程序发出 SIGINT 信号， SIGINT 信号默认的动作是关闭当前应用程序。这里我们修改一下 SIGINT 信号的默认处理函数，当按下 CTRL+C 组合键以后先在终端上打印出“SIGINT signal！”这行字符串，然后再关闭当前应用程序。
#include "stdlib.h"
#include "stdio.h"
#include "signal.h"
void sigint_handler(int num)
{
printf("\r\nSIGINT signal!\r\n");
exit(0);
}
int main(void)
{
signal(SIGINT, sigint_handler);
while(1);
return 0;
}
我们设置 SIGINT 信号的处理函数为 sigint_handler，当按下 CTRL+C向 signaltest 发送 SIGINT 信号以后 sigint_handler 函数就会执行，此函数先输出一行“SIGINT signal!”字符串，然后调用 exit 函数关闭 signaltest 应用程序。
2. 驱动中的信号处理
2.1 fasync_struct 结构体
首先我们需要在驱动程序中定义一个 fasync_struct 结构体指针变量， fasync_struct 结构体内容如下：
struct fasync_struct {
spinlock_t fa_lock;
int magic;
int fa_fd;
struct fasync_struct *fa_next;
struct file *fa_file;
struct rcu_head fa_rcu;
};
2.2 fasync 函数
如果要使用异步通知，需要在设备驱动中实现 file_operations 操作集中的 fasync 函数，此函数格式如下所示：
int (*fasync) (int fd, struct file *filp, int on)
fasync 函数里面一般通过调用 fasync_helper 函数来初始化前面定义的 fasync_struct 结构体指针， fasync_helper 函数原型如下：
int fasync_helper(int fd, struct file * filp, int on, struct fasync_struct **fapp)
fasync_helper 函数的前三个参数就是 fasync 函数的那三个参数，第四个参数就是要初始化的 fasync_struct 结构体指针变量。当应用程序通过“fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC)”改变fasync 标记的时候，驱动程序 file_operations 操作集中的 fasync 函数就会执行。
驱动程序中的 fasync 函数参考示例如下：
struct xxx_dev {
......
struct fasync_struct *async_queue; /* 异步相关结构体 */
};
static int xxx_fasync(int fd, struct file *filp, int on)
{
struct xxx_dev *dev = (xxx_dev)filp->private_data;
if (fasync_helper(fd, filp, on, &dev->async_queue) < 0)
return -EIO;
return 0;
}
static struct file_operations xxx_ops = {
......
.fasync = xxx_fasync,
......
};
在关闭驱动文件的时候需要在 file_operations 操作集中的 release 函数中释放 fasync_struct，fasync_struct 的释放函数同样为 fasync_helper， release 函数参数参考实例如下：
static int xxx_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return xxx_fasync(-1, filp, 0); /* 删除异步通知 */
}
static struct file_operations xxx_ops = {
......
.release = xxx_release,
};
通过调用xxx_fasync 函数来完成 fasync_struct 的释放工作，但是，其最终还是通过 fasync_helper 函数完成释放工作。
2.3 kill_fasync 函数
当设备可以访问的时候，驱动程序需要向应用程序发出信号，相当于产生“中断”。 kill_fasync函数负责发送指定的信号， kill_fasync 函数原型如下所示：
void kill_fasync(struct fasync_struct **fp, int sig, int band)
函数参数和返回值含义如下：
fp：要操作的 fasync_struct。
sig： 要发送的信号。
band： 可读时设置为 POLL_IN，可写时设置为 POLL_OUT。
返回值： 无。
3. 应用程序对异步通知的处理
应用程序对异步通知的处理包括以下三步：
3.1 注册信号处理函数
应用程序根据驱动程序所使用的信号来设置信号的处理函数，应用程序使用 signal 函数来设置信号的处理函数。前面已经详细的讲过了，这里就不细讲了。
3.2 将本应用程序的进程号告诉给内核
使用 fcntl(fd, F_SETOWN, getpid())将本应用程序的进程号告诉给内核。
3.3 开启异步通知
使用如下两行程序开启异步通知：
flags = fcntl(fd, F_GETFL); /* 获取当前的进程状态 */
fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC); /* 开启当前进程异步通知功能 */
重点就是通过 fcntl 函数设置进程状态为 FASYNC，经过这一步，驱动程序中的 fasync 函数就会执行。
实验程序编写
驱动程序编写：
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/semaphore.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/of_irq.h>
#include <linux/irq.h>
#include <linux/fcntl.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/poll.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>
#define IMX6UIRQ_CNT 1 /* 设备号个数 */
#define IMX6UIRQ_NAME "asyncnoti" /* 名字 */
#define KEY0VALUE 0X01 /* KEY0按键值 */
#define INVAKEY 0XFF /* 无效的按键值 */
#define KEY_NUM 1 /* 按键数量 */
/* 中断IO描述结构体 */
struct irq_keydesc {
int gpio; /* gpio */
int irqnum; /* 中断号 */
unsigned char value; /* 按键对应的键值 */
char name[10]; /* 名字 */
irqreturn_t (*handler)(int, void *); /* 中断服务函数 */
};
/* imx6uirq设备结构体 */
struct imx6uirq_dev{
dev_t devid; /* 设备号 */
struct cdev cdev; /* cdev */
struct class *class; /* 类 */
struct device *device; /* 设备 */
int major; /* 主设备号 */
int minor; /* 次设备号 */
struct device_node *nd; /* 设备节点 */
atomic_t keyvalue; /* 有效的按键键值 */
atomic_t releasekey; /* 标记是否完成一次完成的按键，包括按下和释放 */
struct timer_list timer;/* 定义一个定时器*/
struct irq_keydesc irqkeydesc[KEY_NUM]; /* 按键init述数组 */
unsigned char curkeynum; /* 当前init按键号 */
wait_queue_head_t r_wait; /* 读等待队列头 */
struct fasync_struct *async_queue; /* 异步相关结构体 */
};
struct imx6uirq_dev imx6uirq; /* irq设备 */
/* @description : 中断服务函数，开启定时器
* 定时器用于按键消抖。
* @param - irq : 中断号
* @param - dev_id : 设备结构。
* @return : 中断执行结果
*/
static irqreturn_t key0_handler(int irq, void *dev_id)
{
struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev*)dev_id;
dev->curkeynum = 0;
dev->timer.data = (volatile long)dev_id;
mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(10)); /* 10ms定时 */
return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);
}
/* @description : 定时器服务函数，用于按键消抖，定时器到了以后
* 再次读取按键值，如果按键还是处于按下状态就表示按键有效。
* @param - arg : 设备结构变量
* @return : 无
*/
void timer_function(unsigned long arg)
{
unsigned char value;
unsigned char num;
struct irq_keydesc *keydesc;
struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev *)arg;
num = dev->curkeynum;
keydesc = &dev->irqkeydesc[num];
value = gpio_get_value(keydesc->gpio); /* 读取IO值 */
if(value == 0){ /* 按下按键 */
atomic_set(&dev->keyvalue, keydesc->value);
}
else{ /* 按键松开 */
atomic_set(&dev->keyvalue, 0x80 | keydesc->value);
atomic_set(&dev->releasekey, 1); /* 标记松开按键，即完成一次完整的按键过程 */
}
if(atomic_read(&dev->releasekey)) { /* 一次完整的按键过程 */
if(dev->async_queue)
kill_fasync(&dev->async_queue, SIGIO, POLL_IN); /* 释放SIGIO信号 */
}
#if 0
/* 唤醒进程 */
if(atomic_read(&dev->releasekey)) { /* 完成一次按键过程 */
/* wake_up(&dev->r_wait); */
wake_up_interruptible(&dev->r_wait);
}
#endif
}
/*
* @description : 按键IO初始化
* @param : 无
* @return : 无
*/
static int keyio_init(void)
{
unsigned char i = 0;
char name[10];
int ret = 0;
imx6uirq.nd = of_find_node_by_path("/key");
if (imx6uirq.nd== NULL){
printk("key node not find!\r\n");
return -EINVAL;
}
/* 提取GPIO */
for (i = 0; i < KEY_NUM; i++) {
imx6uirq.irqkeydesc[i].gpio = of_get_named_gpio(imx6uirq.nd ,"key-gpio", i);
if (imx6uirq.irqkeydesc[i].gpio < 0) {
printk("can't get key%d\r\n", i);
}
}
/* 初始化key所使用的IO，并且设置成中断模式 */
for (i = 0; i < KEY_NUM; i++) {
memset(imx6uirq.irqkeydesc[i].name, 0, sizeof(name)); /* 缓冲区清零 */
sprintf(imx6uirq.irqkeydesc[i].name, "KEY%d", i); /* 组合名字 */
gpio_request(imx6uirq.irqkeydesc[i].gpio, name);
gpio_direction_input(imx6uirq.irqkeydesc[i].gpio);
imx6uirq.irqkeydesc[i].irqnum = irq_of_parse_and_map(imx6uirq.nd, i);
#if 0
imx6uirq.irqkeydesc[i].irqnum = gpio_to_irq(imx6uirq.irqkeydesc[i].gpio);
#endif
}
/* 申请中断 */
imx6uirq.irqkeydesc[0].handler = key0_handler;
imx6uirq.irqkeydesc[0].value = KEY0VALUE;
for (i = 0; i < KEY_NUM; i++) {
ret = request_irq(imx6uirq.irqkeydesc[i].irqnum, imx6uirq.irqkeydesc[i].handler,
IRQF_TRIGGER_FALLING|IRQF_TRIGGER_RISING, imx6uirq.irqkeydesc[i].name, &imx6uirq);
if(ret < 0){
printk("irq %d request failed!\r\n", imx6uirq.irqkeydesc[i].irqnum);
return -EFAULT;
}
}
/* 创建定时器 */
init_timer(&imx6uirq.timer);
imx6uirq.timer.function = timer_function;
/* 初始化等待队列头 */
init_waitqueue_head(&imx6uirq.r_wait);
return 0;
}
/*
* @description : 打开设备
* @param - inode : 传递给驱动的inode
* @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
* 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
static int imx6uirq_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
filp->private_data = &imx6uirq; /* 设置私有数据 */
return 0;
}
/*
* @description : 从设备读取数据
* @param - filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
* @param - buf : 返回给用户空间的数据缓冲区
* @param - cnt : 要读取的数据长度
* @param - offt : 相对于文件首地址的偏移
* @return : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败
*/
static ssize_t imx6uirq_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
int ret = 0;
unsigned char keyvalue = 0;
unsigned char releasekey = 0;
struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev *)filp->private_data;
if (filp->f_flags & O_NONBLOCK) { /* 非阻塞访问 */
if(atomic_read(&dev->releasekey) == 0) /* 没有按键按下，返回-EAGAIN */
return -EAGAIN;
} else { /* 阻塞访问 */
/* 加入等待队列，等待被唤醒,也就是有按键按下 */
ret = wait_event_interruptible(dev->r_wait, atomic_read(&dev->releasekey));
if (ret) {
goto wait_error;
}
}
keyvalue = atomic_read(&dev->keyvalue);
releasekey = atomic_read(&dev->releasekey);
if (releasekey) { /* 有按键按下 */
if (keyvalue & 0x80) {
keyvalue &= ~0x80;
ret = copy_to_user(buf, &keyvalue, sizeof(keyvalue));
} else {
goto data_error;
}
atomic_set(&dev->releasekey, 0);/* 按下标志清零 */
} else {
goto data_error;
}
return 0;
wait_error:
return ret;
data_error:
return -EINVAL;
}
/*
* @description : poll函数，用于处理非阻塞访问
* @param - filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
* @param - wait : 等待列表(poll_table)
* @return : 设备或者资源状态，
*/
unsigned int imx6uirq_poll(struct file *filp, struct poll_table_struct *wait)
{
unsigned int mask = 0;
struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev *)filp->private_data;
poll_wait(filp, &dev->r_wait, wait); /* 将等待队列头添加到poll_table中 */
if(atomic_read(&dev->releasekey)) { /* 按键按下 */
mask = POLLIN | POLLRDNORM; /* 返回PLLIN */
}
return mask;
}
/*
* @description : fasync函数，用于处理异步通知
* @param - fd : 文件描述符
* @param - filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
* @param - on : 模式
* @return : 负数表示函数执行失败
*/
static int imx6uirq_fasync(int fd, struct file *filp, int on)
{
struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev *)filp->private_data;
return fasync_helper(fd, filp, on, &dev->async_queue);
}
/*
* @description : release函数，应用程序调用close关闭驱动文件的时候会执行
* @param - inode : inode节点
* @param - filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
* @return : 负数表示函数执行失败
*/
static int imx6uirq_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return imx6uirq_fasync(-1, filp, 0);
}
/* 设备操作函数 */
static struct file_operations imx6uirq_fops = {
.owner = THIS_MODULE,
.open = imx6uirq_open,
.read = imx6uirq_read,
.poll = imx6uirq_poll,
.fasync = imx6uirq_fasync,
.release = imx6uirq_release,
};
/*
* @description : 驱动入口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static int __init imx6uirq_init(void)
{
/* 1、构建设备号 */
if (imx6uirq.major) {
imx6uirq.devid = MKDEV(imx6uirq.major, 0);
register_chrdev_region(imx6uirq.devid, IMX6UIRQ_CNT, IMX6UIRQ_NAME);
} else {
alloc_chrdev_region(&imx6uirq.devid, 0, IMX6UIRQ_CNT, IMX6UIRQ_NAME);
imx6uirq.major = MAJOR(imx6uirq.devid);
imx6uirq.minor = MINOR(imx6uirq.devid);
}
/* 2、注册字符设备 */
cdev_init(&imx6uirq.cdev, &imx6uirq_fops);
cdev_add(&imx6uirq.cdev, imx6uirq.devid, IMX6UIRQ_CNT);
/* 3、创建类 */
imx6uirq.class = class_create(THIS_MODULE, IMX6UIRQ_NAME);
if (IS_ERR(imx6uirq.class)) {
return PTR_ERR(imx6uirq.class);
}
/* 4、创建设备 */
imx6uirq.device = device_create(imx6uirq.class, NULL, imx6uirq.devid, NULL, IMX6UIRQ_NAME);
if (IS_ERR(imx6uirq.device)) {
return PTR_ERR(imx6uirq.device);
}
/* 5、始化按键 */
atomic_set(&imx6uirq.keyvalue, INVAKEY);
atomic_set(&imx6uirq.releasekey, 0);
keyio_init();
return 0;
}
/*
* @description : 驱动出口函数
* @param : 无
* @return : 无
*/
static void __exit imx6uirq_exit(void)
{
unsigned i = 0;
/* 删除定时器 */
del_timer_sync(&imx6uirq.timer); /* 删除定时器 */
/* 释放中断 */
for (i = 0; i < KEY_NUM; i++) {
free_irq(imx6uirq.irqkeydesc[i].irqnum, &imx6uirq);
}
cdev_del(&imx6uirq.cdev);
unregister_chrdev_region(imx6uirq.devid, IMX6UIRQ_CNT);
device_destroy(imx6uirq.class, imx6uirq.devid);
class_destroy(imx6uirq.class);
}
module_init(imx6uirq_init);
module_exit(imx6uirq_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
应用程序编写：
#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
#include "poll.h"
#include "sys/select.h"
#include "sys/time.h"
#include "linux/ioctl.h"
#include "signal.h"
static int fd = 0; /* 文件描述符 */
/*
* SIGIO信号处理函数
* @param - signum : 信号值
* @return : 无
*/
static void sigio_signal_func(int signum)
{
int err = 0;
unsigned int keyvalue = 0;
err = read(fd, &keyvalue, sizeof(keyvalue));
if(err < 0) {
/* 读取错误 */
} else {
printf("sigio signal! key value=%d\r\n", keyvalue);
}
}
/*
* @description : main主程序
* @param - argc : argv数组元素个数
* @param - argv : 具体参数
* @return : 0 成功;其他 失败
*/
int main(int argc, char *argv[])
{
int flags = 0;
char *filename;
if (argc != 2) {
printf("Error Usage!\r\n");
return -1;
}
filename = argv[1];
fd = open(filename, O_RDWR);
if (fd < 0) {
printf("Can't open file %s\r\n", filename);
return -1;
}
/* 设置信号SIGIO的处理函数 */
signal(SIGIO, sigio_signal_func);
fcntl(fd, F_SETOWN, getpid()); /* 设置当前进程接收SIGIO信号 */
flags = fcntl(fd, F_GETFD); /* 获取当前的进程状态 */
fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC); /* 设置进程启用异步通知功能 */
while(1) {
sleep(2);
}
close(fd);
return 0;
}
编译测试
驱动加载成功以后使用如下命令来测试中断：
./asyncnotiApp /dev/asyncnoti
按下开发板上的 KEY0 键，终端就会输出按键值，如图 所示：
