Linux 驱动开发基础知识——APP 怎么读取按键值(十二)

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Linux 驱动开发基础知识——APP 怎么读取按键值(十二),Linux 驱动开发基础知识,linux,嵌入式硬件,驱动开发,硬件开发,APP读取按键值,中断,异步操作

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Linux 驱动开发基础知识——APP 怎么读取按键值(十二),Linux 驱动开发基础知识,linux,嵌入式硬件,驱动开发,硬件开发,APP读取按键值,中断,异步操作

文章介绍:

🎉本篇文章对Linux驱动基础学习的相关知识进行分享!🥳🥳🥳

   在做单片机开发时,要读取 GPIO 按键,我们通常是执行一个循环,不断地检测 GPIO 引脚电平有没有发生变化。但是在 Linux 系统中,读取 GPIO 按键要考虑到效率,引入了很多种方法:查询方式(非阻塞)休眠-唤醒(阻塞方式)poll 方式异步通知方式

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目录:

目录

一、APP 怎么读取按键值

1.1 驱动的基本技能:

1.2 APP 开发的基本技能:

二、妈妈怎么知道孩子醒了

2.1 时不时进房间看一下:查询方式

2.2 进去房间陪小孩一起睡觉,小孩醒了会吵醒她:休眠-唤醒

2.3 妈妈要干很多活,但是可以陪小孩睡一会,定个闹钟:poll 方式

2.4 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

三、APP 读取按键的 4 种方法

3.1 查询方式

3.2 休眠-唤醒方式

3.3  poll 方式

3.4 异步通知方式 

3.4.1 异步通知的原理:发信号

3.4.2 应用程序之间发信号示例代码

 四、驱动程序提供能力,不提供策略


一、APP 怎么读取按键值

        在做单片机开发时,要读取 GPIO 按键,我们通常是执行一个循环,不断地检测 GPIO 引脚电平有没有发生变化。但是在 Linux 系统中,读取 GPIO 按键要考虑到效率,引入了很多种方法:查询方式(非阻塞)休眠-唤醒(阻塞方式)poll 方式异步通知方式。这 4 种方法并不仅仅用于 GPIO 按键,在所有的 APP 调用驱动程序过程中,都是使用这些方法。通过这 4 种方式的学习,我们可以掌握如下知识:

1.1 驱动的基本技能:

        中断、休眠、唤醒、poll 等机制。

        这些基本技能是驱动开发的基础,其他大型驱动复杂的地方是它的框架及设计思想,但是基本技术就这些。

1.2 APP 开发的基本技能:

        阻塞 、非阻塞、休眠、poll、异步通知

二、妈妈怎么知道孩子醒了

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 妈妈怎么知道卧室里小孩醒了?

2.1 时不时进房间看一下:查询方式

        简单,但是累

2.2 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

2.3 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。

2.4 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

这 4 种方法没有优劣之分,在不同的场合使用不同的方法。

三、APP 读取按键的 4 种方法

APP 去读取按键和举例的场景很相似,也有 4 种方法:

查询方式                 休眠-唤醒方式                 poll 方式                 异步通知方式

2、3、4 种方法,都涉及中断服务程序。中断,就像小孩醒了会哭闹一样, 中断不经意间到来,它会做某些事情:唤醒 APP、向 APP 发信号

所以,在按键驱动程序中,中断是核心

        实际上,中断无论是在单片机还是在 Linux 中都很重要。在 Linux 中,中断的知识还涉及进程、线程等。 

写一个驱动程序的套路     

 

写一个驱动程序的套路   

3.1 查询方式

这种方法最简单:和之前的LED驱动程序类似,之前是写引脚来改变高低电平,现在我们是不断读取引脚来查询是否发生电平的变化

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        驱动程序中构造、注册一个 file_operations 结构体,里面提供有对应的 open,read 函数。        

        APP 调用 open 时,导致驱动中对应的 open 函数被调用,在里面配置 GPIO 为输入引脚。

        APP 调用 read 时,导致驱动中对应的 read 函数被调用,它读取寄存器,把引脚状态直接返回给 APP。

3.2 休眠-唤醒方式

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 驱动程序中构造、注册一个 file_operations 结构体,里面提供有对应的 open,read 函数

        APP 调用 open 时,导致驱动中对应的 open 函数被调用,在里面配置 GPIO 为输入引脚;并且注册 GPIO 的中断处理函数

        APP 调用 read 时,导致驱动中对应的 read 函数被调用,如果有按键数据则直接返回给 APP否则 APP 在内核态休眠

        当用户按下按键时,GPIO 中断被触发,导致驱动程序之前注册的中断服务程序被执行。它会记录按键数据,并唤醒休眠中的 APP

        APP 被唤醒后继续在内核态运行,即继续执行驱动代码,把按键数据返回给 APP(的用户空间)。

3.3  poll 方式

        上面的休眠-唤醒方式有个缺点:如果用户一直没操作按键,那么 APP 就会永远休眠。 我们可以给 APP 定个闹钟,这就是 poll 方式。

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 驱动程序中构造、注册一个 file_operations 结构体,里面提供有对应的 open,read,poll 函数

        APP 调用 open 时,导致驱动中对应的 open 函数被调用,在里面配置 GPIO 为输入引脚;并且注册 GPIO 的中断处理函数。

        APP 调用 poll 或 select 函数,意图是“查询”是否有数据,这 2 个 函数都可以指定一个超时时间,即在这段时间内没有数据的话就返回错误。这会导致驱动中对应的 poll 函数被调用,如果有按键数据则直接返回给 APP;否则 APP 在内核态休眠一段时间

        当用户按下按键时,GPIO 中断被触发,导致驱动程序之前注册的中断服务程序被执行。它会记录按键数据,并唤醒休眠中的 APP。

        如果用户没按下按键,但是超时时间到了,内核也会唤醒 APP。

        所以 APP 被唤醒有 2 种原因用户操作了按键超时。被唤醒的 APP 在内核态继续运行,即继续执行驱动代码,把“状态”返回给 APP(的用户空间)。

        APP 得到 poll/select 函数的返回结果后,如果确认是有数据的,则再调用 read 函数,这会导致驱动中的 read 函数被调用,这时驱动程序中含有数据,会直接返回数据。

3.4 异步通知方式 

3.4.1 异步通知的原理:发信号

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异步通知的实现原理是:内核给 APP 发信号。信号有很多种,这里发的是 SIGIO。 

驱动程序给应用程序发信号,应用程序收到信号后执行它的信号处理函数

驱动程序中构造、注册一个file_operations 结构体,里面提供有对应的 open,read,fasync函数。

◼ APP 调用 open 时,导致驱动中对应的 open 函数被调用,在里面配置 GPIO 为输入引脚;并且注册 GPIO 的中断处理函数

◼ APP 给信号 SIGIO 注册自己的处理函数:my_signal_fun

◼ APP 调用 fcntl 函数,把驱动程序的 flag 改为 FASYNC,这会导致驱动程序的 fasync 函数被调用,它只是简单记录进程 PID

◼ 当用户按下按键时,GPIO 中断被触发,导致驱动程序之前注册的中断服务程序被执行。它会记录按键数据,然后给进程 PID 发送 SIGIO 信号

◼ APP 收到信号后会被打断,先执行信号处理函数:在信号处理函数中可以去调用 read 函数读取按键值。

◼ 信号处理函数返回后,APP 会继续执行原先被打断的代码

3.4.2 应用程序之间发信号示例代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
void my_sig_func(int signo)
{
    printf("get a signal : %d\n", signo);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    int i = 0;
    
    signal(SIGIO, my_sig_func);        //事件处理函数,如果这里没有事件处理函数,则收到应用程序的信号就会停下退出,如果有事件处理函数,则收到应用程序后先执行事件处理函数再继续执行不会停止进程
    
    while (1) 
    {
        printf("Hello, world %d!\n", i++);    
        sleep(2);
    }
    
    return 0;
}


第 13 行注册信号处理函数

第 15 行就是一个无限循环。在它运行期间,你可以 用另一个 APP 发信号给它。 

$ gcc -o signal signal.c // 编译程序
$ ./signal & // 后台运行
$ ps -A | grep signal // 查看进程 ID,假设是 9527
$ kill -SIGIO 9527 // 给这个进程发信号
book@100ask:~/05_嵌入式Linux驱动开发基础知识/source/03_signal_example$ gcc -o signal signal.c
book@100ask:~/05_嵌入式Linux驱动开发基础知识/source/03_signal_example$ ./signal

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重新开一个进程查询ID

book@100ask:~$ ps -A

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book@100ask:~$ kill -SIGIO 4491

这样另一边的进程就收到信息了

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 四、驱动程序提供能力,不提供策略

        我们的驱动程序可以实现上述 4 种提供按键的方法,但是驱动程序不应该限制 APP 使用哪种方法

        这就是驱动设计的一个原理:提供能力,不提供策略。就是说,你想用哪种方法都行,驱动程序都可以提供;但是驱动程序不能限制你使用哪种方法  。     

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