imx6ull-驱动开发篇17——linux原子操作实验

发布于：2025-08-12 ⋅ 阅读:(16) ⋅ 点赞:(0)

目录

实验程序编写

修改设备树文件

LED 驱动atomic.c

测试atomicApp.c

Makefile 文件

.json文件

运行测试

编译代码

运行代码

在之前，我们已经学习了：驱动开发篇14——原子操作。

本讲我们使用原子操作来实现对 LED 这个设备的互斥访问，也就是一次只允许一个应用程序可以使用 LED 灯。

实验程序编写

在驱动开发篇12——GPIO子系统驱动LED这篇文章的基础上改进代码。

修改设备树文件

和上面文章一致，主要是以下几点：

  • 添加 pinctrl 节点
  • 添加 LED 设备节点
  • 检查 PIN 是否被其他外设使用

LED 驱动atomic.c

atomic.c文件里，使用atomic 来实现一次只能允许一个应用访问 LED。

代码如下：

#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 <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>

#define GPIOLED_CNT			1		  	/* 设备号个数 */
#define GPIOLED_NAME		"gpioled"	/* 名字 */
#define LEDOFF 				0			/* 关灯 */
#define LEDON 				1			/* 开灯 */


/* gpioled设备结构体 */
struct gpioled_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 */
	int led_gpio;			/* led所使用的GPIO编号		*/
	atomic_t lock;			/* 原子变量 */
};

struct gpioled_dev gpioled;	/* led设备 */

/*
 * @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 led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	/* 通过判断原子变量的值来检查LED有没有被别的应用使用 */
	if (!atomic_dec_and_test(&gpioled.lock)) {
		atomic_inc(&gpioled.lock);	/* 小于0的话就加1,使其原子变量等于0 */
		return -EBUSY;				/* LED被使用，返回忙 */
	}

	filp->private_data = &gpioled; /* 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 led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
	return 0;
}

/*
 * @description		: 向设备写数据 
 * @param - filp 	: 设备文件，表示打开的文件描述符
 * @param - buf 	: 要写给设备写入的数据
 * @param - cnt 	: 要写入的数据长度
 * @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移
 * @return 			: 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败
 */
static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
	int retvalue;
	unsigned char databuf[1];
	unsigned char ledstat;
	struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;

	retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);
	if(retvalue < 0) {
		printk("kernel write failed!\r\n");
		return -EFAULT;
	}

	ledstat = databuf[0];		/* 获取状态值 */

	if(ledstat == LEDON) {	
		gpio_set_value(dev->led_gpio, 0);	/* 打开LED灯 */
	} else if(ledstat == LEDOFF) {
		gpio_set_value(dev->led_gpio, 1);	/* 关闭LED灯 */
	}
	return 0;
}

/*
 * @description		: 关闭/释放设备
 * @param - filp 	: 要关闭的设备文件(文件描述符)
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;

	/* 关闭驱动文件的时候释放原子变量 */
	atomic_inc(&dev->lock);
	return 0;
}

/* 设备操作函数 */
static struct file_operations gpioled_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = led_open,
	.read = led_read,
	.write = led_write,
	.release = 	led_release,
};

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static int __init led_init(void)
{
	int ret = 0;

	/* 初始化原子变量 */
	atomic_set(&gpioled.lock, 1);	/* 原子变量初始值为1 */

	/* 设置LED所使用的GPIO */
	/* 1、获取设备节点：gpioled */
	gpioled.nd = of_find_node_by_path("/gpioled");
	if(gpioled.nd == NULL) {
		printk("gpioled node not find!\r\n");
		return -EINVAL;
	} else {
		printk("gpioled node find!\r\n");
	}

	/* 2、 获取设备树中的gpio属性，得到LED所使用的LED编号 */
	gpioled.led_gpio = of_get_named_gpio(gpioled.nd, "led-gpio", 0);
	if(gpioled.led_gpio < 0) {
		printk("can't get led-gpio");
		return -EINVAL;
	}
	printk("led-gpio num = %d\r\n", gpioled.led_gpio);

	/* 3、设置GPIO1_IO03为输出，并且输出高电平，默认关闭LED灯 */
	ret = gpio_direction_output(gpioled.led_gpio, 1);
	if(ret < 0) {
		printk("can't set gpio!\r\n");
	}

	/* 注册字符设备驱动 */
	/* 1、创建设备号 */
	if (gpioled.major) {		/*  定义了设备号 */
		gpioled.devid = MKDEV(gpioled.major, 0);
		register_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME);
	} else {						/* 没有定义设备号 */
		alloc_chrdev_region(&gpioled.devid, 0, GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME);	/* 申请设备号 */
		gpioled.major = MAJOR(gpioled.devid);	/* 获取分配号的主设备号 */
		gpioled.minor = MINOR(gpioled.devid);	/* 获取分配号的次设备号 */
	}
	printk("gpioled major=%d,minor=%d\r\n",gpioled.major, gpioled.minor);	
	
	/* 2、初始化cdev */
	gpioled.cdev.owner = THIS_MODULE;
	cdev_init(&gpioled.cdev, &gpioled_fops);
	
	/* 3、添加一个cdev */
	cdev_add(&gpioled.cdev, gpioled.devid, GPIOLED_CNT);

	/* 4、创建类 */
	gpioled.class = class_create(THIS_MODULE, GPIOLED_NAME);
	if (IS_ERR(gpioled.class)) {
		return PTR_ERR(gpioled.class);
	}

	/* 5、创建设备 */
	gpioled.device = device_create(gpioled.class, NULL, gpioled.devid, NULL, GPIOLED_NAME);
	if (IS_ERR(gpioled.device)) {
		return PTR_ERR(gpioled.device);
	}
	
	return 0;
}

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static void __exit led_exit(void)
{
	/* 注销字符设备驱动 */
	cdev_del(&gpioled.cdev);/*  删除cdev */
	unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT); /* 注销设备号 */

	device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid);
	class_destroy(gpioled.class);
}

module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("huax");

主要需要注意的部分如下：

gpioled 设备结构体定义新增原子变量 lock，用来实现一次只能允许一个应用访问 LED 灯， led_init 驱动入口函数会将 lock 的值设置为 1。

/* gpioled设备结构体 */
struct gpioled_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 */
	int led_gpio;			/* led所使用的GPIO编号		*/
	atomic_t lock;			/* 原子变量 */
};

通过判断原子变量的值来检查LED有没有被别的应用使用：

  • 每次调用 open 函数打开驱动设备的时候先申请 lock，如果申请成功的话就表示LED灯还没有被其他的应用使用，如果申请失败就表示 LED灯正在被其他的应用程序使用。
  • 每次打开驱动设备的时候先使用 atomic_dec_and_test 函数将 lock 减 1，如果 atomic_dec_and_test函数返回值为真就表示 lock 当前值为 0，说明设备可以使用。
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	/* 通过判断原子变量的值来检查LED有没有被别的应用使用 */
	if (!atomic_dec_and_test(&gpioled.lock)) {
		atomic_inc(&gpioled.lock);	/* 小于0的话就加1,使其原子变量等于0 */
		return -EBUSY;				/* LED被使用，返回忙 */
	}

	filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 */
	return 0;
}

关闭驱动文件的时候释放原子变量：

LED 灯使用完毕，应用程序调用 close 函数关闭的驱动文件， led_release 函数执行，调用 atomic_inc 释放 lcok，也就是将 lock 加 1。

static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;

	/* 关闭驱动文件的时候释放原子变量 */
	atomic_inc(&dev->lock);
	return 0;
}

函数led_init里面：初始化原子变量 lock，初始值设置为 1，这样每次就只允许一个应用使用 LED灯。

	/* 初始化原子变量 */
	atomic_set(&gpioled.lock, 1);	/* 原子变量初始值为1 */

测试atomicApp.c

atomicApp.c 中的内容，加入了模拟占用 25 秒 LED 的代码。

测试 APP 在获取到 LED 灯驱动的使用权以后会使用 25S，在使用的这段时间如果有其他的应用也去获取 LED 灯使用权的话肯定会失败。

#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"

#define LEDOFF 	0
#define LEDON 	1

/*
 * @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 fd, retvalue;
	char *filename;
	unsigned char cnt = 0;
	unsigned char databuf[1];
	
	if(argc != 3){
		printf("Error Usage!\r\n");
		return -1;
	}

	filename = argv[1];

	
	fd = open(filename, O_RDWR);
	if(fd < 0){
		printf("file %s open failed!\r\n", argv[1]);
		return -1;
	}

	databuf[0] = atoi(argv[2]);	/* 要执行的操作：打开或关闭 */

	/* 向/dev/gpioled文件写入数据 */
	retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf));
	if(retvalue < 0){
		printf("LED Control Failed!\r\n");
		close(fd);
		return -1;
	}

	/* 模拟占用25S LED */
	while(1) {
		sleep(5);
		cnt++;
		printf("App running times:%d\r\n", cnt);
		if(cnt >= 5) break;
	}

	printf("App running finished!");
	retvalue = close(fd); /* 关闭文件 */
	if(retvalue < 0){
		printf("file %s close failed!\r\n", argv[1]);
		return -1;
	}
	return 0;
}

Makefile 文件

makefile文件只需要修改 obj-m 变量的值，改为atomic.o。

KERNELDIR := /home/huax/linux/linux_test/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga
 
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m :=atomic.o
 
build: kernel_modules
kernel_modules:
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

.json文件

vscode的c_cpp_properties.json文件里，头文件路径包含linux内核源码：

{
    "configurations": [
        {
            "name": "Linux",
            "includePath": [
                "${workspaceFolder}/**",
                "/home/huax/linux/linux_test/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga/include",
                "/home/huax/linux/linux_test/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga/arch/arm/include",
                "/home/huax/linux/linux_test/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga/arch/arm/include/generated/"
            ],
            "defines": [],
            "compilerPath": "/usr/bin/gcc",
            "cStandard": "c11",
            "cppStandard": "c++17",
            "intelliSenseMode": "clang-x64"
        }
    ],
    "version": 4
}

运行测试

编译代码

输入下面两行命令编译：

make -j32 //编译makefile文件
arm-linux-gnueabihf-gcc atomicApp.c -o atomicApp //编译测试程序

运行代码

将编译出来的 atomic.ko 和 atomicApp 这两个文件拷贝到 rootfs/lib/modules/4.1.15目录中，重启开发板。

进入到目录 lib/modules/4.1.15 中，输入如下命令加载 atomic.ko 驱动模块：

depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe atomic.ko //加载驱动

驱动加载成功以后，就可以使用 atomicApp 软件来测试驱动是否工作正常：

./atomicApp /dev/gpioled 1& //以后台模式 打开 LED 灯

观察开发板上的红色 LED 灯是否点亮，然后每隔 5 秒都会输出一行“App running times ”，如图：

atomicApp 运行正常，一直打印“App running times”，模拟 25S 占用，说明 atomicApp 这个软件正在使用 LED 灯。

在运行25s内关闭 LED 灯：会打开/dev/gpioled 失败！

./atomicApp /dev/gpioled 0 //关闭 LED 灯

因为运行的 atomicAPP软件正在占用/dev/gpioled，如果再次运行 atomicApp 软件去操作/dev/gpioled 肯定会失败。

必须等待第一次操作的atomicApp运行结束，也就是25S结束以后，其他软件才能去操作/dev/gpioled。

这个就是采用原子变量实现一次只能有一个应用程序访问 LED 灯。

卸载驱动的话输入如下命令：

rmmod atomic.ko

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