linux信号驱动IO（高级字符设备四）

一、linux信号驱动IO介绍

  信号驱动 IO 不需要应用程序查询设备的状态，一旦设备准备就绪，会触发SIGIO信号，进而调用注册的处理函数。

1.1、linux信号驱动IO应用层

  如果要实现信号驱动 IO，需要应用程序和驱动程序配合，应用程序使用信号驱动IO的步骤有三步：
  步骤 1 ：注册信号处理函数 应用程序使用 signal 函数来注册SIGIO 信号的信号处理函数。
  步骤 2： 设置能够接收这个信号的进程
  步骤 3： 开启信号驱动 IO 通常使用 fcntl 函数的 F_SETFL 命令打开FASYNC 标志。
  fcntl 函数如下所示：
  函数原型：
    int fcntl(int fd,int cmd, …)
  函数功能：
    fcntl 函数可以用来操作文件描述符
  函数参数:
    fd: 被操作的文件描述符
    cmd: 操作文件描述符的命令，cmd 参数决定了要如何操作文件描述符fd
    …: 根据 cmd 的参数来决定是不是需要使用第三个参数
  操作文件描述符的命令如下表

命令名	描述
F_DUPFD	复制文件描述符
F_GETFD	获取文件描述符标志
F_SETFD	设置文件描述符标志
F_GETFL	获取文件状态标志
F_SETFL	设置文件状态标志
F_GETLK	获取文件锁
F_SETLK	设置文件锁
F_SETLKW	类似 F_SETLK，但等待返回
F_GETOWN	获取当前接收 SIGIO 和SIGURG 信号的进程ID和进程组 ID
F_SETOWN	设置当前接收 SIGIO 和SIGURG 信号的进程ID和进程组 ID

1.2、linux信号驱动IO驱动层

  当应用程序开启信号驱动 IO 时，会触发驱动中的 fasync 函数。所以首先在file_operations结构体中实现 fasync 函数，函数原型如下：

int (*fasync) (int fd,struct file *filp,int on)

  在驱动中的 fasync 函数调用 fasync_helper 函数来操作 fasync_struct 结构体，fasync_helper函数原型如下：

int fasync_helper(int fd,struct file *filp,int on,struct fasync_struct **fapp)

  当设备准备好的时候，驱动程序需要调用 kill_fasync 函数通知应用程序，此时应用程序的SIGIO 信号处理函数就会被执行。kill_fasync 负责发送指定的信号，函数原型如下：

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

  函数参数：
    fp: 要操作的 fasync_struct
    sig: 发送的信号
    band: 可读的时候设置成 POLLIN ，可写的时候设置成POLLOUT

二、代码示例

2.1、应用层程序

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

int fd;
char buf1[32] = {
    
    0};   


//SIGIO信号的信号处理函数
static void func(int signum)
{
    
    
    read(fd,buf1,32);
    printf ("buf is %s\n",buf1);
}
int main(int argc, char *argv[])  
{
    
    
    int ret;
    int flags;
    fd = open("/dev/test", O_RDWR);  //打开led驱动
    if (fd < 0)
    {
    
    
        perror("open error \n");
        return fd;
    }

    signal(SIGIO,func);  //步骤一：使用signal函数注册SIGIO信号的信号处理函数
     //步骤二：设置能接收这个信号的进程
     //fcntl函数用来操作文件描述符，
     //F_SETOWN 设置当前接收的SIGIO的进程ID
     fcntl(fd,F_SETOWN,getpid()); 

    flags = fcntl(fd,F_GETFD); //获取文件描述符标志
    //步骤三  开启信号驱动IO 使用fcntl函数的F_SETFL命令打开FASYNC标志
    fcntl(fd,F_SETFL,flags| FASYNC);
    while(1);
    
    close(fd);     //关闭文件
    return 0;
}

2.2、驱动层程序

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kdev_t.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/io.h>
#include  <linux/wait.h>
#include <linux/poll.h>
#include <linux/fcntl.h>
#include <linux/signal.h>

struct device_test{
    
    
   
    dev_t dev_num;  //设备号
     int major ;  //主设备号
    int minor ;  //次设备号
    struct cdev cdev_test; // cdev
    struct class *class;   //类
    struct device *device; //设备
    char kbuf[32];
    int  flag;  //标志位
    struct fasync_struct *fasync;
};


struct  device_test dev1;  

DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(read_wq); //定义并初始化等待队列头

/*打开设备函数*/
static int cdev_test_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    
    
    file->private_data=&dev1;//设置私有数据
   
    return 0;
}

/*向设备写入数据函数*/
static ssize_t cdev_test_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t size, loff_t *off)
{
    
    
     struct device_test *test_dev=(struct device_test *)file->private_data;

    if (copy_from_user(test_dev->kbuf, buf, size) != 0) // copy_from_user:用户空间向内核空间传数据
    {
    
    
        printk("copy_from_user error\r\n");
        return -1;
    }
    test_dev->flag=1;
    wake_up_interruptible(&read_wq);
    kill_fasync(&test_dev->fasync,SIGIO,POLLIN);
    

    return 0;
}

/**从设备读取数据*/
static ssize_t cdev_test_read(struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *off)
{
    
    
    
    struct device_test *test_dev=(struct device_test *)file->private_data;
    if(file->f_flags & O_NONBLOCK ){
    
    
        if (test_dev->flag !=1)
        return -EAGAIN;
    }
    wait_event_interruptible(read_wq,test_dev->flag);

    if (copy_to_user(buf, test_dev->kbuf, strlen( test_dev->kbuf)) != 0) // copy_to_user:内核空间向用户空间传数据
    {
    
    
        printk("copy_to_user error\r\n");
        return -1;
    }

    return 0;
}

static int cdev_test_release(struct inode *inode, struct file *file)
{
    
    
    
    return 0;
}

static  __poll_t  cdev_test_poll(struct file *file, struct poll_table_struct *p){
    
    
     struct device_test *test_dev=(struct device_test *)file->private_data;  //设置私有数据
     __poll_t mask=0;    
     poll_wait(file,&read_wq,p);     //应用阻塞

     if (test_dev->flag == 1)    
     {
    
    
         mask |= POLLIN;
     }
     return mask;
     
}

static int cdev_test_fasync (int fd, struct file *file, int on)
{
    
    
     struct device_test *test_dev=(struct device_test *)file->private_data;  //设置私有数据
    return  fasync_helper(fd,file,on,&test_dev->fasync);
}
/*设备操作函数*/
struct file_operations cdev_test_fops = {
    
    
    .owner = THIS_MODULE, //将owner字段指向本模块，可以避免在模块的操作正在被使用时卸载该模块
    .open = cdev_test_open, //将open字段指向chrdev_open(...)函数
    .read = cdev_test_read, //将open字段指向chrdev_read(...)函数
    .write = cdev_test_write, //将open字段指向chrdev_write(...)函数
    .release = cdev_test_release, //将open字段指向chrdev_release(...)函数
    .poll = cdev_test_poll,  //将poll字段指向chrdev_poll(...)函数
    .fasync = cdev_test_fasync,   //将fasync字段指向cdev_test_fasync(...)函数
};

static int __init chr_fops_init(void) //驱动入口函数
{
    
    
    /*注册字符设备驱动*/
    int ret;
    /*1 创建设备号*/
    ret = alloc_chrdev_region(&dev1.dev_num, 0, 1, "alloc_name"); //动态分配设备号
    if (ret < 0)
    {
    
    
       goto err_chrdev;
    }
    printk("alloc_chrdev_region is ok\n");

    dev1.major = MAJOR(dev1.dev_num); //获取主设备号
   dev1.minor = MINOR(dev1.dev_num); //获取次设备号

    printk("major is %d \r\n", dev1.major); //打印主设备号
    printk("minor is %d \r\n", dev1.minor); //打印次设备号
     /*2 初始化cdev*/
    dev1.cdev_test.owner = THIS_MODULE;
    cdev_init(&dev1.cdev_test, &cdev_test_fops);

    /*3 添加一个cdev,完成字符设备注册到内核*/
   ret =  cdev_add(&dev1.cdev_test, dev1.dev_num, 1);
    if(ret<0)
    {
    
    
        goto  err_chr_add;
    }
    /*4 创建类*/
  dev1. class = class_create(THIS_MODULE, "test");
    if(IS_ERR(dev1.class))
    {
    
    
        ret=PTR_ERR(dev1.class);
        goto err_class_create;
    }
    /*5  创建设备*/
  dev1.device = device_create(dev1.class, NULL, dev1.dev_num, NULL, "test");
    if(IS_ERR(dev1.device))
    {
    
    
        ret=PTR_ERR(dev1.device);
        goto err_device_create;
    }

return 0;

 err_device_create:
        class_destroy(dev1.class);                 //删除类

err_class_create:
       cdev_del(&dev1.cdev_test);                 //删除cdev

err_chr_add:
        unregister_chrdev_region(dev1.dev_num, 1); //注销设备号

err_chrdev:
        return ret;
}




static void __exit chr_fops_exit(void) //驱动出口函数
{
    
    
    /*注销字符设备*/
    unregister_chrdev_region(dev1.dev_num, 1); //注销设备号
    cdev_del(&dev1.cdev_test);                 //删除cdev
    device_destroy(dev1.class, dev1.dev_num);       //删除设备
    class_destroy(dev1.class);                 //删除类
}
module_init(chr_fops_init);
module_exit(chr_fops_exit);

2.3、linux信号驱动IO使用API要点

应用层

    signal(SIGIO,func);  //步骤一：使用signal函数注册SIGIO信号的信号处理函数
     //步骤二：设置能接收这个信号的进程
     //fcntl函数用来操作文件描述符，
     //F_SETOWN 设置当前接收的SIGIO的进程ID
     fcntl(fd,F_SETOWN,getpid()); 

    flags = fcntl(fd,F_GETFD); //获取文件描述符标志
    //步骤三  开启信号驱动IO 使用fcntl函数的F_SETFL命令打开FASYNC标志
    fcntl(fd,F_SETFL,flags| FASYNC);

驱动层

kill_fasync(&test_dev->fasync,SIGIO,POLLIN);

static int cdev_test_fasync (int fd, struct file *file, int on)
{
    
    
     struct device_test *test_dev=(struct device_test *)file->private_data;  //设置私有数据
    return  fasync_helper(fd,file,on,&test_dev->fasync);
}