【Linux 并发与竞争实验】
【Linux 并发与竞争实验】
之前学习了四种常用的处理并发和竞争的机制：原子操作、自旋锁、信号量和互斥体。本章我们就通过四个实验来学习如何在驱动中使用这四种机制。
文章目录
- 【Linux 并发与竞争实验】
- 1.原子操作实验
- 1.1 实验程序编写
- 1.2 运行测试
- 2.自旋锁实验
- 2.1 实验程序编写
- 2.2 运行测试
- 3.信号量实验
- 3.1 实验程序编写
- 3.2 运行测试
- 4.互斥体实验
- 4.1 实验程序编写
- 4.2 运行测试
1.原子操作实验
本例程我们在《【Linux驱动开发】pinctrl 和 gpio 子系统实验》的 gpioled.c 文件基础上完成。在本节使用中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。
1.1 实验程序编写
1、修改设备树文件
因为本章实验是在《【Linux驱动开发】pinctrl 和 gpio 子系统实验》的基础上完成的，因此不需要对设备树做任何的修改。
链接地址：https://blog.csdn.net/v13111329954/article/details/146533517?spm=1001.2014.3001.5501
2、LED 驱动修改
本节实验在实验驱动文件 gpioled.c 的基础上修改而来。重命名为 atomic.c。
本节实验重点就是使用atomic 来实现一次只能允许一个应用访问 LED，所以我们只需要在 atomic.c 文件源码的基础上加上添加 atomic 相关代码即可，完成以后的 atomic.c 文件内容如下所示：
atomic.c
#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("jvmao");
第 33 行，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。
第 48~51 行，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。如果 atomic_dec_and_test 函数返回值为假，就表示 lock 当前值为负数(lock 值默认是 1)，lock 值为负数的可能性只有一个，那就是其他设备正在使用 LED。其他设备正在使用 LED 灯，那么就只能退出了，在退出之前调用函数 atomic_inc 将 lock 加 1，因为此时 lock 的值被减成了负数，必须要对其加 1，将 lock 的值变为 0。
第 111 行，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。
第 134 行，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。
3、编写测试 APP
新建名为 atomicApp.c 的测试 APP，在里面输入如下所示内容：
atomicApp.c
#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
/***************************************************************
文件名 : atomicApp.c
描述 : 原子变量测试APP，测试原子变量能不能实现一次只允许一个应用程序使用LED。
使用方法 ：./atomicApp /dev/gpioled 0 关闭LED灯./atomicApp /dev/gpioled 1 打开LED灯
论坛 : www.openedv.com
日志 : 初版V1.0 2019/1/30 左忠凯创建
***************************************************************/#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];/* 打开beep驱动 */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;
}
atomicApp.c 中的内容就是在《【Linux驱动开发】pinctrl 和 gpio 子系统实验》的 ledAPP.c 的基础上修改而来的，重点是加入了第 60~64 行的模拟占用 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！
1.2 运行测试
1、编译驱动程序
编写 Makefile 文件，本章实验的 Makefile 文件和之前的基本一样，只是将 obj-m 变量的值改为 atomic.o，Makefile 内容如下所示：
KERNELDIR := /home/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
CURRENT_PATH := $(shell pwd)obj-m := atomic.obuild: kernel_moduleskernel_modules:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modulesclean:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean
第 4 行，设置 obj-m 变量的值为 atomic.o。
输入如下命令编译出驱动模块文件：
make -j32
编译成功以后就会生成一个名为“atomic.ko”的驱动模块文件。
2、编译测试 APP
输入如下命令编译测试 atomicApp.c 这个测试程序：
arm-linux-gnueabihf-gcc atomicApp.c -o atomicApp
编译成功以后就会生成 atomicApp 这个应用程序。
3、运行测试
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，输入如下命令以后台运行模式打开 LED 灯，“&”表示在后台运行 atomicApp 这个软件：
./atomicApp /dev/gpioled 1& //打开 LED 灯
输入上述命令以后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 ”，如图所示：
从图可以看出，atomicApp 运行正常，输出了“App running times:1”和“App running times:2”，这就是模拟 25S 占用，说明 atomicApp 这个软件正在使用 LED 灯。此时再输入如下命令关闭 LED 灯：
./atomicApp /dev/gpioled 0 //关闭 LED 灯
输入上述命令以后会发现如图所示输入信息：
从图可以看出，打开/dev/gpioled 失败！原因是在上上中运行的 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。必须等待上上中的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。
如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：
rmmod atomic.ko
2.自旋锁实验
上一节我们使用原子变量实现了一次只能有一个应用程序访问 LED 灯，本节我们使用自旋锁来实现此功能。在使用自旋锁之前，先回顾一下自旋锁的使用注意事项：
①、自旋锁保护的临界区要尽可能的短，因此在 open 函数中申请自旋锁，然后在 release 函数中释放自旋锁的方法就不可取。我们可以使用一个变量来表示设备的使用情况，如果设备被使用了那么变量就加一，设备被释放以后变量就减 1，我们只需要使用自旋锁保护这个变量即可。
②、考虑驱动的兼容性，合理的选择 API 函数。
综上所述，在本节例程中，我们通过定义一个变量 dev_stats 表示设备的使用情况，dev_stats为 0 的时候表示设备没有被使用，dev_stats 大于 0 的时候表示设备被使用。驱动 open 函数中先判断 dev_stats 是否为 0，也就是判断设备是否可用，如果为 0 的话就使用设备，并且将 dev_stats加 1，表示设备被使用了。使用完以后在 release 函数中将 dev_stats 减 1，表示设备没有被使用了。因此真正实现设备互斥访问的是变量 dev_stats，但是我们要使用自旋锁对 dev_stats 来做保护。
2.1 实验程序编写
1、修改设备树文件
因为本章实验是在《【Linux驱动开发】pinctrl 和 gpio 子系统实验》的基础上完成的，因此不需要对设备树做任何的修改。
2、LED 驱动修改
本节实验在第上一节实验驱动文件 atomic.c 的基础上修改而来。重命名为 spinlock.c。将原来使用 atomic 的地方换为 spinlock 即可，其他代码不需要修改，完成以后的 spinlock.c 文件内容如下所示(有省略)：
spinlock.c
#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 */int dev_stats; /* 设备使用状态，0，设备未使用;>0,设备已经被使用 */spinlock_t lock; /* 自旋锁 */
};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)
{unsigned long flags;filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 */spin_lock_irqsave(&gpioled.lock, flags); /* 上锁 */if (gpioled.dev_stats) { /* 如果设备被使用了 */spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags);/* 解锁 */return -EBUSY;}gpioled.dev_stats++; /* 如果设备没有打开，那么就标记已经打开了 */spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags);/* 解锁 */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)
{unsigned long flags;struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;/* 关闭驱动文件的时候将dev_stats减1 */spin_lock_irqsave(&dev->lock, flags); /* 上锁 */if (dev->dev_stats) {dev->dev_stats--;}spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags);/* 解锁 */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 : 驱动入口函数* @param : 无* @return : 无*/
static int __init led_init(void)
{int ret = 0;/* 初始化自旋锁 */spin_lock_init(&gpioled.lock);/* 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("jvmao");
第 34 行，dev_stats 表示设备状态，如果为 0 的话表示设备还没有被使用，如果大于 0 的话就表示设备已经被使用了。
第 35 行，定义自旋锁变量 lock。
第 52~58 行，使用自旋锁实现对设备的互斥访问，第 52 行调用 spin_lock_irqsave 函数获取锁，为了考虑到驱动兼容性，这里并没有使用 spin_lock 函数来获取锁。第 53 行判断dev_stats 是否大于 0，如果是的话表示设备已经被使用了，那么就调用spin_unlock_irqrestore函数释放锁，并且返回-EBUSY。如果设备没有被使用的话就在第 57 行将 dev_stats 加 1，表示设备要被使用了，然后调用 spin_unlock_irqrestore 函数释放锁。自旋锁的工作就是保护dev_stats 变量，真正实现对设备互斥访问的是 dev_stats。
第 117~124 行，在 release 函数中将 dev_stats 减 1，表示设备被释放了，可以被其他的应用程序使用。将 dev_stats 减 1 的时候需要自旋锁对其进行保护。
第 146 行，在驱动入口函数 led_init 中调用 spin_lock_init 函数初始化自旋锁。
3、编写测试 APP
测试 APP 使用1.2小节中的 atomicApp.c 即可，将 7_atomic 中的 atomicApp.c 文件到本例程中，并将 atomicApp.c 重命名为 spinlockApp.c 即可。
2.2 运行测试
1、编译驱动程序
编写 Makefile 文件，将 obj-m 变量的值改为 spinlock.o，Makefile 内容如下所示：
KERNELDIR := /home/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
CURRENT_PATH := $(shell pwd)obj-m := spinlock.obuild: kernel_moduleskernel_modules:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modulesclean:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean
第 4 行，设置 obj-m 变量的值为 spinlock.o。
输入如下命令编译出驱动模块文件：
make -j32
编译成功以后就会生成一个名为“spinlock.ko”的驱动模块文件。
2、编译测试 APP
输入如下命令编译测试 spinlockApp.c 这个测试程序：
arm-linux-gnueabihf-gcc spinlockApp.c -o spinlockApp
编译成功以后就会生成 spinlockApp 这个应用程序。
3、运行测试
将编译出来的 spinlock.ko 和 spinlockApp 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 spinlock.ko 驱动模块：
depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe spinlock.ko //加载驱动
驱动加载成功以后就可以使用 spinlockApp 软件测试驱动是否工作正常，测试方法和上小节中一样，先输入如下命令让 spinlockAPP 软件模拟占用 25S 的 LED 灯：
./spinlockApp /dev/gpioled 1& //打开 LED 灯
紧接着再输入如下命令关闭 LED 灯：
./spinlockApp /dev/gpioled 0 //关闭 LED 灯
看一下能不能关闭 LED 灯，驱动正常工作的话并不会马上关闭 LED 灯，会提示你“file /dev/gpioled open failed!”，必须等待第一个 spinlockApp 软件运行完成(25S 计时结束)才可以再次操作 LED 灯。
如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：
rmmod spinlock.ko
3.信号量实验
本节我们来使用信号量实现了一次只能有一个应用程序访问 LED 灯，信号量可以导致休眠，因此信号量保护的临界区没有运行时间限制，可以在驱动的 open 函数申请信号量，然后在release 函数中释放信号量。但是信号量不能用在中断中，本节实验我们不会在中断中使用信号量。
3.1 实验程序编写
1、修改设备树文件
本章实验是在上一节实验的基础上完成的，同样不需要对设备树做任何的修改。
2、LED 驱动修改
本节实验在第上一节实验驱动文件 spinlock.c 的基础上修改而来。重命名为 semaphore.c。将原来使用到自旋锁的地方换为信号量即可，其他的内容基本不变，完成以后的 semaphore.c 文件内容如下所示(有省略)：
semaphore.c
#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>//信号量头文件
#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 */struct semaphore sem; /* 信号量 */
};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)
{filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 *//* 获取信号量 */if (down_interruptible(&gpioled.sem)) { /* 获取信号量,进入休眠状态的进程可以被信号打断 */return -ERESTARTSYS;}
#if 0down(&gpioled.sem); /* 不能被信号打断 */
#endifreturn 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;up(&dev->sem); /* 释放信号量，信号量值加1 */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 : 驱动入口函数* @param : 无* @return : 无*/
static int __init led_init(void)
{int ret = 0;/* 初始化信号量 */sema_init(&gpioled.sem, 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("jvmao");
第 14 行，要使用信号量必须添加<linux/semaphore.h>头文件。
第 34 行，在设备结构体中添加一个信号量成员变量 sem。
第50~56行，在open函数中申请信号量，可以使用down函数，也可以使用down_interruptible函数。如果信号量值大于等于 1 就表示可用，那么应用程序就会开始使用 LED 灯。如果信号量值为 0 就表示应用程序不能使用 LED 灯，此时应用程序就会进入到休眠状态。等到信号量值大于 1 的时候应用程序就会唤醒，申请信号量，获取 LED 灯使用权。
第 114 行，在 release 函数中调用 up 函数释放信号量，这样其他因为没有得到信号量而进入休眠状态的应用程序就会唤醒，获取信号量。
第 138 行，在驱动入口函数中调用 sema_init 函数初始化信号量 sem 的值为 1，相当于 sem是个二值信号量。
总结一下，当信号量 sem 为 1 的时候表示 LED 灯还没有被使用，如果应用程序 A 要使用LED 灯，先调用 open 函数打开/dev/gpioled，这个时候会获取信号量 sem，获取成功以后 sem 的值减 1 变为 0。如果此时应用程序 B 也要使用 LED 灯，调用 open 函数打开/dev/gpioled 就会因为信号量无效(值为 0)而进入休眠状态。当应用程序 A 运行完毕，调用 close 函数关闭/dev/gpioled的时候就会释放信号量 sem，此时信号量 sem 的值就会加 1，变为 1。信号量 sem 再次有效，表示其他应用程序可以使用 LED 灯了，此时在休眠状态的应用程序 B 就会获取到信号量 sem，获取成功以后就开始使用 LED 灯。
3、编写测试 APP
测试 APP 用上一小节中的 atomicApp.c 即可，将 7_atomic 中的 atomicApp.c 文件到本例程中，并将 atomicApp.c 重命名为 semaApp.c 即可。
semaApp.c
#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
/***************************************************************
文件名 : atomicApp.c
描述 : 原子变量测试APP，测试原子变量能不能实现一次只允许一个应用程序使用LED。
使用方法 ：./atomicApp /dev/gpioled 0 关闭LED灯./atomicApp /dev/gpioled 1 打开LED灯
论坛 : www.openedv.com
日志 : 初版V1.0 2019/1/30 左忠凯创建
***************************************************************/#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];/* 打开beep驱动 */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;
}
3.2 运行测试
1、编译驱动程序
编写 Makefile 文件，将 obj-m 变量的值改为 semaphore.o，Makefile 内容如下所示：
KERNELDIR := /home/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
CURRENT_PATH := $(shell pwd)obj-m := semaphore.obuild: kernel_moduleskernel_modules:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modulesclean:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean
第 4 行，设置 obj-m 变量的值为 semaphore.o。
输入如下命令编译出驱动模块文件：
make -j32
编译成功以后就会生成一个名为“semaphore.ko”的驱动模块文件。
2、编译测试 APP
输入如下命令编译测试 semaApp.c 这个测试程序：
arm-linux-gnueabihf-gcc semaApp.c -o semaApp
编译成功以后就会生成 semaApp 这个应用程序。
3、运行测试
将上一小节编译出来的 semaphore.ko 和 semaApp 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 semaphore.ko 驱动模块：
depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe semaphore.ko//加载驱动
驱动加载成功以后就可以使用 semaApp 软件测试驱动是否工作正常，先输入如下命令让 semaApp 软件模拟占用 25S 的 LED 灯：
./ semaApp /dev/gpioled 1& //打开 LED 灯
紧接着再输入如下命令关闭 LED 灯：
./ semaApp /dev/gpioled 0& //关闭 LED 灯
注意两个命令都是运行在后台，第一条命令先获取到信号量，因此可以操作 LED 灯，将LED 灯打开，并且占有 25S。第二条命令因为获取信号量失败而进入休眠状态，等待第一条命令运行完毕并释放信号量以后才拥有 LED 灯使用权，将 LED 灯关闭，运行结果如图所示：
如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：
rmmod semaphore.ko
4.互斥体实验
前面我们使用原子操作、自旋锁和信号量实现了对 LED 灯的互斥访问，但是最适合互斥的就是互斥体 mutex 了。本节我们来学习一下如何使用 mutex 实现对 LED 灯的互斥访问。
4.1 实验程序编写
1、修改设备树文件
本章实验是在上一节实验的基础上完成的，同样不需要对设备树做任何的修改。
2、LED 驱动修改
本节实验在上一节实验驱动文件 semaphore.c 的基础上修改而来。重命名为 mutex.c。将原来使用到信号量的地方换为mutex即可，其他的内容基本不变，完成以后的 mutex.c 文件内容如下所示(有省略)：
mutex.c
#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 <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 */struct mutex lock; /* 互斥体 */
};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)
{filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 *//* 获取互斥体,可以被信号打断 */if (mutex_lock_interruptible(&gpioled.lock)) {return -ERESTARTSYS;}
#if 0mutex_lock(&gpioled.lock); /* 不能被信号打断 */
#endifreturn 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;/* 释放互斥锁 */mutex_unlock(&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 : 驱动入口函数* @param : 无* @return : 无*/
static int __init led_init(void)
{int ret = 0;/* 初始化互斥体 */mutex_init(&gpioled.lock);/* 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("jvmao");
第 43 行，定义互斥体 lock。
第 60~65 行，在 open 函数中调用 mutex_lock_interruptible 或者 mutex_lock 获取 mutex，成功的话就表示可以使用 LED 灯，失败的话就会进入休眠状态，和信号量一样。
第 124 行，在 release 函数中调用 mutex_unlock 函数释放 mutex，这样其他应用程序就可以获取 mutex 了。
第 148 行，在驱动入口函数中调用 mutex_init 初始化 mutex。
互斥体和二值信号量类似，只不过互斥体是专门用于互斥访问的。
3、编写测试 APP
测试 APP 使用上一小节中的 atomicApp.c 即可，将 7_atomic 中的 atomicApp.c 文件到本例程中，并将 atomicApp.c 重命名为 mutexApp.c 即可。
4.2 运行测试
1、编译驱动程序
编写 Makefile 文件，将 obj-m 变量的值改为 mutex.o，Makefile 内容如下所示：
KERNELDIR := /home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
CURRENT_PATH := $(shell pwd)obj-m := mutex.obuild: kernel_moduleskernel_modules:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modulesclean:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean
第 4 行，设置 obj-m 变量的值为 mutex.o。
输入如下命令编译出驱动模块文件：
make -j32
编译成功以后就会生成一个名为“mutex.ko”的驱动模块文件。
2、编译测试 APP
输入如下命令编译测试 mutexApp.c 这个测试程序：
arm-linux-gnueabihf-gcc mutexApp.c -o mutexApp
编译成功以后就会生成 mutexApp 这个应用程序。
3、运行测试
将上一小节编译出来的 mutex.ko 和 mutexApp 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 mutex.ko 驱动模块：
depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe mutex.ko //加载驱动
驱动加载成功以后就可以使用 mutexApp 软件测试驱动是否工作正常，测试方法和测试信号量的方法一样。
如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：
rmmod mutex.ko
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