Linux驱动异步通知机制详解

Linux驱动异步通知机制详解

1. 异步通知基本概念

1.1 什么是异步通知

异步通知（Asynchronous Notification）是Linux系统中一种重要的进程间通信机制，它允许驱动程序在特定事件发生时主动通知应用程序，而不是让应用程序通过轮询的方式不断查询设备状态。这种机制可以显著提高系统效率，减少CPU资源的浪费。

在传统的轮询模式中，应用程序需要不断地调用read()等系统调用来检查设备是否有数据可读，这种方式不仅消耗大量的CPU资源，而且响应速度也不够及时。而异步通知机制通过信号（Signal）的方式，在设备状态发生变化时立即通知应用程序，实现了事件驱动的编程模型。

1.2 SIGIO信号

异步通知的核心是SIGIO信号。当一个文件描述符被设置为支持异步通知后，每当该文件描述符对应的设备有数据可读或可写时，内核就会向拥有该文件描述符的进程发送SIGIO信号。应用程序可以通过signal()或sigaction()系统调用来注册SIGIO信号的处理函数，从而在信号到达时执行相应的处理逻辑。

1.3 FASYNC标志

要启用异步通知功能，需要在文件操作结构体中实现fasync()方法，并在应用程序中通过fcntl()系统调用设置FASYNC标志。FASYNC标志告诉内核，当文件描述符对应的设备状态发生变化时，需要发送SIGIO信号。

2. 驱动程序实现

2.1 数据结构定义

struct key_desc {char name[10];int gpio;int irqnum;unsigned char value;irqreturn_t (*handler)(int, void *);
};struct imx6uirq_dev {dev_t devid;int major;int minor;struct cdev cdev;struct class *class;struct device *device;struct device_node *key_nd;struct key_desc key[KEY_NUM];struct timer_list timer;atomic_t keyvalue;atomic_t release;struct fasync_struct *fasync_queue;
};

驱动程序定义了两个主要的数据结构：key_desc用于描述按键的相关信息，包括名称、GPIO引脚、中断号、键值和中断处理函数；imx6uirq_dev是设备的主结构体，包含了字符设备所需的各种成员，以及用于异步通知的fasync_queue指针。

2.2 文件操作结构体

static const struct file_operations imx6uirq_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = imx6uirq_open,.read = imx6uirq_read,.fasync = imx6uirq_fasync,.release = imx6uirq_release,
};

文件操作结构体中实现了四个关键方法：

• imx6uirq_open：打开设备文件时调用
• imx6uirq_read：读取设备数据时调用
• imx6uirq_fasync：管理异步通知队列
• imx6uirq_release：关闭设备文件时调用

其中fasync方法是实现异步通知的关键。

2.3 fasync方法实现

static int imx6uirq_fasync(int fd, struct file *filp, int on)
{struct imx6uirq_dev *dev = filp->private_data;return fasync_helper(fd, filp, on, &dev->fasync_queue);
}

imx6uirq_fasync方法调用了内核提供的fasync_helper函数来管理异步通知队列。这个函数会根据on参数的值来添加或删除文件描述符到异步通知队列中。当应用程序通过fcntl()设置FASYNC标志时，on为1，文件描述符会被添加到队列；当清除FASYNC标志时，on为0，文件描述符会被从队列中删除。

2.4 release方法实现

static int imx6uirq_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{imx6uirq_fasync(-1, filp, 1);return 0;
}

在设备文件关闭时，需要调用imx6uirq_fasync方法将文件描述符从异步通知队列中移除，以防止后续的信号发送导致错误。

2.5 中断处理

static irqreturn_t key0_handler(int irq, void *filp)
{struct imx6uirq_dev *dev = filp;dev->timer.data = (volatile long)filp;mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(20));return IRQ_HANDLED;
}

中断处理函数中使用了定时器来实现按键消抖。当按键中断发生时，不是立即处理按键事件，而是启动一个20ms的定时器。这样可以避免由于机械按键的弹跳效应导致的多次中断。

2.6 定时器处理函数

static void timer_func(unsigned long arg)
{struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev *)arg;int value = 0;value = gpio_get_value(dev->key[0].gpio);if (value == 0){atomic_set(&dev->keyvalue, dev->key[0].value);}else{atomic_set(&dev->release, 1);}if (atomic_read(&dev->release)){kill_fasync(&dev->fasync_queue, SIGIO, POLL_IN);}
}

定时器处理函数首先读取按键的当前状态，如果按键被按下，则设置键值；如果按键被释放，则设置释放标志。关键的是最后的kill_fasync调用，它会向所有注册了异步通知的进程发送SIGIO信号，通知它们设备状态已经改变。

3. 应用程序实现

3.1 信号处理函数

static void sigio_signal_func(int num)
{int ret = 0;int keyvalue;ret = read(fd, &keyvalue, sizeof(keyvalue));if (ret < 0){printf("User: fail error\r\n");}else{printf("User: sigio signal, keyvalue is: %d\r\n", keyvalue);}
}

应用程序首先定义了一个SIGIO信号的处理函数sigio_signal_func。当收到SIGIO信号时，这个函数会被调用。在信号处理函数中，应用程序调用read()系统调用来读取按键值，并将其打印出来。

3.2 启用异步通知

signal(SIGIO, sigio_signal_func);int ret = fcntl(fd, F_SETOWN, getpid());
int flags = fcntl(fd, F_GETFL);
fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC);

应用程序通过以下三个步骤来启用异步通知：

1. 使用signal()系统调用注册SIGIO信号的处理函数
2. 使用fcntl(fd, F_SETOWN, getpid())告诉内核哪个进程应该接收SIGIO信号
3. 使用fcntl(fd, F_SETFL, flags | FASYNC)设置FASYNC标志，启用异步通知功能

4. 工作流程分析

4.1 初始化阶段

1. 驱动程序加载时，imx6uirq_init函数被调用
2. 分配设备号，注册字符设备
3. 创建设备节点
4. 初始化按键和定时器

4.2 应用程序打开设备

1. 应用程序调用open()打开设备文件
2. 驱动程序的imx6uirq_open函数被调用
3. 将设备结构体指针保存到filp->private_data中

4.3 启用异步通知

1. 应用程序调用signal()注册SIGIO信号处理函数
2. 调用fcntl()设置F_SETOWN，指定信号接收进程
3. 调用fcntl()设置FASYNC标志
4. 驱动程序的imx6uirq_fasync函数被调用，将文件描述符添加到异步通知队列

4.4 按键事件处理

1. 用户按下按键，触发外部中断
2. 中断处理函数key0_handler被调用
3. 启动20ms定时器进行按键消抖
4. 定时器超时后，timer_func函数被调用
5. 读取按键状态，如果是按键释放，则调用kill_fasync
6. kill_fasync向应用程序发送SIGIO信号
7. 应用程序的SIGIO信号处理函数被调用
8. 在信号处理函数中调用read()读取按键值

5. 设备树配置

5.1 设备节点定义

key{compatible = "alientek,key";pinctrl-names = "default";pinctrl-0 = <&pinctrl_key>;states = "okay";key-gpios = <&gpio1 18 GPIO_ACTIVE_HIGH>;interrupt-parent = <&gpio1>;interrupts = <18 IRQ_TYPE_EDGE_BOTH>;
};

在设备树中定义了按键设备节点，指定了以下信息：

• compatible：兼容性字符串，用于匹配驱动程序
• pinctrl-0：引脚控制配置
• key-gpios：按键连接的GPIO引脚
• interrupt-parent：中断父节点
• interrupts：中断号和触发类型

5.2 引脚控制配置

pinctrl_key: keygrp {fsl,pins = <MX6UL_PAD_UART1_CTS_B__GPIO1_IO18    0xF080>;
};

引脚控制配置指定了GPIO1_18引脚的工作模式，将其配置为GPIO输入模式，并设置了适当的电气特性参数。

6. Makefile分析

KERNERDIR := /home/ubuntu2004/linux/IMX6ULL/linux/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga
CURRENTDIR := $(shell pwd)obj-m := imx6uirq.o
build : kernel_moduleskernel_modules:$(MAKE) -C $(KERNERDIR) M=$(CURRENTDIR) modulesclean:$(MAKE) -C $(KERNERDIR) M=$(CURRENTDIR) clean

Makefile中定义了以下几个关键变量：

• KERNERDIR：内核源码目录路径
• CURRENTDIR：当前目录路径
• obj-m：指定要编译的模块对象

编译时，会进入内核源码目录，通过M参数指定模块源码位置，让内核构建系统来编译模块。

https://gitee.com/dream-cometrue/linux_driver_imx6ull