【正点原子Linux连载】第四十八章Linux并发与竞争实验--摘自【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南

正点原子 · 发表于 2020-7-3 10:17:35

本帖最后由正点原子于 2020-10-26 11:32 编辑

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第四十八章Linux并发与竞争实验

      在上一章中我们学习了Linux下的并发与竞争，并且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。

48.1 原子操作实验
      本实验对应的例程路径为：开发板光盘->2、Linux驱动例程->7_atomic。
      本例程我们在第四十五章的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。
48.1.1 实验程序编写
1、修改设备树文件
      因为本章实验是在第四十五章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
      本节实验在第四十五章实验驱动文件gpioled.c的基础上修改而来。新建名为“7_atomic”的文件夹，然后在7_atomic文件夹里面创建vscode工程，工作区命名为“atomic”。将5_gpioled实验中的gpioled.c复制到7_atomic文件夹中，并且重命名为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：
示例代码48.1.1.1 atomic.c文件代码段

1 #include <linux/types.h>
2 #include <linux/kernel.h>
3 #include <linux/delay.h>
4 #include <linux/ide.h>
5 #include <linux/init.h>
6 #include <linux/module.h>
7 #include <linux/errno.h>
8 #include <linux/gpio.h>
9 #include <linux/cdev.h>
10 #include <linux/device.h>
11 #include <linux/of.h>
12 #include <linux/of_address.h>
13 #include <linux/of_gpio.h>
14 #include <asm/mach/map.h>
15 #include <asm/uaccess.h>
16 #include <asm/io.h>
17/***************************************************************
18 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
19文件名 : atomic.c
20作者 : 左忠凯
21版本 : V1.0
22描述 : 原子操作实验，使用原子变量来实现对实现设备的互斥访问
23其他 : 无
24论坛 : <a href="www.openedv.com" target="_blank">www.openedv.com</a>
25日志 : 初版V1.0 2019/7/18 左忠凯创建
26 ***************************************************************/
27 #define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
28 #define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
29 #define LEDOFF 0 /* 关灯 */
30 #define LEDON 1 /* 开灯 */
31
32/* gpioled设备结构体 */
33struct gpioled_dev{
34 dev_t devid; /* 设备号 */
35struct cdev cdev; /* cdev */
36struct class *class; /* 类 */
37struct device *device; /* 设备 */
38int major; /* 主设备号 */
39int minor; /* 次设备号 */
40struct device_node *nd; /* 设备节点 */
41int led_gpio; /* led所使用的GPIO编号 */
42 atomic_t lock; /* 原子变量 */
43};
44
45struct gpioled_dev gpioled;/* led设备 */
46
47/*
48 * @description : 打开设备
49 * @param – inode : 传递给驱动的inode
50 * @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
51 * 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
52 * @return : 0 成功;其他失败
53 */
54staticint led_open(struct inode *inode,struct file *filp)
55{
56/* 通过判断原子变量的值来检查LED有没有被别的应用使用 */
57if(!atomic_dec_and_test(&gpioled.lock)){
58 atomic_inc(&gpioled.lock);/* 小于0的话就加1,使其原子变量等于0 */
59return-EBUSY;/* LED被使用，返回忙 */
60}
61
62 filp->private_data =&gpioled;/* 设置私有数据 */
63return0;
64}
65
66/*
67 * @description : 从设备读取数据
68 * @param - filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
69 * @param - buf : 返回给用户空间的数据缓冲区
70 * @param – cnt : 要读取的数据长度
71 * @param - offt : 相对于文件首地址的偏移
72 * @return : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败
73 */
74static ssize_t led_read(struct file *filp,char __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
75{
76return0;
77}
78
79/*
80 * @description : 向设备写数据
81 * @param – filp : 设备文件，表示打开的文件描述符
82 * @param - buf : 要写给设备写入的数据
83 * @param - cnt : 要写入的数据长度
84 * @param – offt : 相对于文件首地址的偏移
85 * @return : 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败
86 */
87static ssize_t led_write(struct file *filp,constchar __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
88{
89int retvalue;
90unsignedchar databuf[1];
91unsignedchar ledstat;
92struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
93
94 retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);
95if(retvalue <0){
96 printk("kernel write failed!\r\n");
97return-EFAULT;
98}
99
100 ledstat = databuf[0]; /* 获取状态值 */
101
102if(ledstat == LEDON){
103 gpio_set_value(dev->led_gpio,0);/* 打开LED灯 */
104}elseif(ledstat == LEDOFF){
105 gpio_set_value(dev->led_gpio,1);/* 关闭LED灯 */
106}
107return0;
108}
109
110/*
111 * @description : 关闭/释放设备
112 * @param – filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
113 * @return : 0 成功;其他失败
114 */
115staticint led_release(struct inode *inode,struct file *filp)
116{
117struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
118
119/* 关闭驱动文件的时候释放原子变量 */
120 atomic_inc(&dev->lock);
121return0;
122}
123
124/* 设备操作函数 */
125staticstruct file_operations gpioled_fops ={
126.owner = THIS_MODULE,
127.open = led_open,
128.read = led_read,
129.write = led_write,
130.release = led_release,
131};
132
133/*
134 * @description : 驱动入口函数
135 * @param : 无
136 * @return : 无
137 */
138staticint __init led_init(void)
139{
140int ret =0;
141
142/* 初始化原子变量 */
143 atomic_set(&gpioled.lock,1);/* 原子变量初始值为1 */
144
145/* 设置LED所使用的GPIO */
146/* 1、获取设备节点：gpioled */
147 gpioled.nd = of_find_node_by_path("/gpioled");
148if(gpioled.nd ==NULL){
149 printk("gpioled node not find!\r\n");
150return-EINVAL;
151}else{
152 printk("gpioled node find!\r\n");
153}
154
155/* 2、获取设备树中的gpio属性，得到LED所使用的LED编号 */
156 gpioled.led_gpio = of_get_named_gpio(gpioled.nd,"led-gpio",0);
157if(gpioled.led_gpio <0){
158 printk("can't get led-gpio");
159return-EINVAL;
160}
161 printk("led-gpio num = %d\r\n", gpioled.led_gpio);
162
163/* 3、设置GPIO1_IO03为输出，并且输出高电平，默认关闭LED灯 */
164 ret = gpio_direction_output(gpioled.led_gpio,1);
165if(ret <0){
166 printk("can't set gpio!\r\n");
167}
168
169/* 注册字符设备驱动 */
170/* 1、创建设备号 */
171if(gpioled.major){ /* 定义了设备号 */
172 gpioled.devid = MKDEV(gpioled.major,0);
173 register_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT,
GPIOLED_NAME);
174}else{ /* 没有定义设备号 */
175 alloc_chrdev_region(&gpioled.devid,0, GPIOLED_CNT,
GPIOLED_NAME);/* 申请设备号 */
176 gpioled.major = MAJOR(gpioled.devid);/* 获取分配号的主设备号 */
177 gpioled.minor = MINOR(gpioled.devid);/* 获取分配号的次设备号 */
178}
179 printk("gpioled major=%d,minor=%d\r\n",gpioled.major,
gpioled.minor);
180
181/* 2、初始化cdev */
182 gpioled.cdev.owner = THIS_MODULE;
183 cdev_init(&gpioled.cdev,&gpioled_fops);
184
185/* 3、添加一个cdev */
186 cdev_add(&gpioled.cdev, gpioled.devid, GPIOLED_CNT);
187
188/* 4、创建类 */
189 gpioled.class = class_create(THIS_MODULE, GPIOLED_NAME);
190if(IS_ERR(gpioled.class)){
191return PTR_ERR(gpioled.class);
192}
193
194/* 5、创建设备 */
195 gpioled.device = device_create(gpioled.class,NULL,
gpioled.devid,NULL, GPIOLED_NAME);
196if(IS_ERR(gpioled.device)){
197return PTR_ERR(gpioled.device);
198}
199
200return0;
201}
202
203/*
204 * @description : 驱动出口函数
205 * @param : 无
206 * @return : 无
207 */
208staticvoid __exit led_exit(void)
209{
210/* 注销字符设备驱动 */
211 cdev_del(&gpioled.cdev);/* 删除cdev */
212 unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT);
213
214 device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid);
215 class_destroy(gpioled.class);
216}
217
218 module_init(led_init);
219 module_exit(led_exit);
220 MODULE_LICENSE("GPL");
221 MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");

复制代码

      第42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57~60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120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143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：
示例代码48.1.1.2 atomicApp.c文件代码

1 #include "stdio.h"
2 #include "unistd.h"
3 #include "sys/types.h"
4 #include "sys/stat.h"
5 #include "fcntl.h"
6 #include "stdlib.h"
7 #include "string.h"
8/***************************************************************
9 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
10文件名 : atomicApp.c
11作者 : 左忠凯
12 版本 : V1.0
13描述 : 原子变量测试APP，测试原子变量能不能实现一次
14 只允许一个应用程序使用LED。
15其他 : 无
16使用方法：./atomicApp /dev/gpioled 0 关闭LED灯
17 ./atomicApp /dev/gpioled 1 打开LED灯
18论坛 : <a href="www.openedv.com" target="_blank">www.openedv.com</a>
19日志 : 初版V1.0 2019/1/30 左忠凯创建
20 ***************************************************************/
21
22 #define LEDOFF 0
23 #define LEDON 1
24
25/*
26 * @description : main主程序
27 * @param - argc : argv数组元素个数
28 * @param - argv : 具体参数
29 * @return : 0 成功;其他失败
30 */
31int main(int argc,char*argv[])
32{
33 int fd, retvalue;
34 char*filename;
35 unsignedchar cnt =0;
36 unsignedchar databuf[1];
37
38 if(argc !=3){
39 printf("Error Usage!\r\n");
40 return-1;
41 }
42
43 filename = argv[1];
44
45 /* 打开beep驱动 */
46 fd = open(filename, O_RDWR);
47 if(fd <0){
48 printf("file %s open failed!\r\n", argv[1]);
49 return-1;
50 }
51
52 databuf[0]= atoi(argv[2]);/* 要执行的操作：打开或关闭 */
53
54 /* 向/dev/gpioled文件写入数据 */
55 retvalue = write(fd, databuf,sizeof(databuf));
56 if(retvalue <0){
57 printf("LED Control Failed!\r\n");
58 close(fd);
59 return-1;
60 }
61
62 /* 模拟占用25S LED */
63 while(1){
64 sleep(5);
65 cnt++;
66 printf("App running times:%d\r\n", cnt);
67 if(cnt >=5)break;
68 }
69
70 printf("App running finished!");
71 retvalue = close(fd);/* 关闭文件 */
72 if(retvalue <0){
73 printf("file %s close failed!\r\n", argv[1]);
74 return-1;
75 }
76 return0;
77}

复制代码

      atomicApp.c中的内容就是在第四十五章的ledAPP.c的基础上修改而来的，重点是加入了第63~68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！
48.1.2 运行测试
      1、编译驱动程序
      编写Makefile文件，本章实验的Makefile文件和第四十章实验基本一样，只是将obj-m变量的值改为atomic.o，Makefile内容如下所示：
示例代码48.1.2.1 Makefile文件

1 KERNELDIR:= /home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
......
4 obj-m := atomic.o
......
11 clean:
12$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

复制代码

      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

复制代码

编译成功以后就会生成atomicApp这个应用程序。
3、运行测试
将上一小节编译出来的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

复制代码

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

复制代码

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48.1.2.1所示：

图48.1.2.1 打开LED灯

从图48.1.2.1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

复制代码

输入上述命令以后会发现如图48.1.2.2所示输入信息：

图48.1.2.2 关闭LED灯

从图48.1.2.2可以看出，打开/dev/gpioled失败！原因是在图48.1.2.1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。必须等待图48.1.2.1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：

rmmodatomic.ko

复制代码

48.2 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。
48.2.1 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atomic.c的基础上修改而来。新建名为“8_spinlock”的文件夹，然后在8_spinlock文件夹里面创建vscode工程，工作区命名为“spinlock”。将7_atomic实验中的atomic.c复制到8_spinlock文件夹中，并且重命名为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)：
示例代码48.2.1.1 spinlock.c文件代码

1 #include <linux/types.h>
2 #include <linux/kernel.h>
3 #include <linux/delay.h>
4 #include <linux/ide.h>
5 #include <linux/init.h>
......
17/***************************************************************
18 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
19文件名 : spinlock.c
20作者 : 左忠凯
21版本 : V1.0
22描述 : 自旋锁实验，使用自旋锁来实现对实现设备的互斥访问
23其他 : 无
24论坛 : <a href="www.openedv.com" target="_blank">www.openedv.com</a>
25日志 : 初版V1.0 2019/7/18 左忠凯创建
26 ***************************************************************/
27 #define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
28 #define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
29 #define LEDOFF 0 /* 关灯 */
30 #define LEDON 1 /* 开灯 */
31
32
33/* gpioled设备结构体 */
34struct gpioled_dev{
35 dev_t devid; /* 设备号 */
36struct cdev cdev; /* cdev */
37struct class *class; /* 类 */
38struct device *device; /* 设备 */
39int major; /* 主设备号 */
40int minor; /* 次设备号 */
41struct device_node *nd; /* 设备节点 */
42int led_gpio; /* led所使用的GPIO编号 */
43int dev_stats;/* 设备状态，0，设备未使用;>0,设备已经被使用 */
44 spinlock_t lock; /* 自旋锁 */
45};
46
47struct gpioled_dev gpioled; /* led设备 */
48
49/*
50 * @description : 打开设备
51 * @param – inode : 传递给驱动的inode
52 * @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
53 * 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
54 * @return : 0 成功;其他失败
55 */
56staticint led_open(struct inode *inode,struct file *filp)
57{
58unsignedlong flags;
59 filp->private_data =&gpioled; /* 设置私有数据 */
60
61 spin_lock_irqsave(&gpioled.lock, flags); /* 上锁 */
62if(gpioled.dev_stats){ /* 如果设备被使用了 */
63 spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags); /* 解锁 */
64return-EBUSY;
65}
66 gpioled.dev_stats++;/* 如果设备没有打开，那么就标记已经打开了 */
67 spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags);/* 解锁 */
68
69return0;
70}
......
116/*
117 * @description : 关闭/释放设备
118 * @param – filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
119 * @return : 0 成功;其他失败
120 */
121staticint led_release(struct inode *inode,struct file *filp)
122{
123unsignedlong flags;
124struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
125
126/* 关闭驱动文件的时候将dev_stats减1 */
127 spin_lock_irqsave(&dev->lock, flags);/* 上锁 */
128if(dev->dev_stats){
129 dev->dev_stats--;
130}
131 spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags);/* 解锁 */
132
133return0;
134}
135
136/* 设备操作函数 */
137staticstruct file_operations gpioled_fops ={
138.owner = THIS_MODULE,
139.open = led_open,
140.read = led_read,
141.write = led_write,
142.release = led_release,
143};
144
145/*
146 * @description : 驱动入口函数
147 * @param : 无
148 * @return : 无
149 */
150staticint __init led_init(void)
151{
152int ret =0;
153
154/* 初始化自旋锁 */
155 spin_lock_init(&gpioled.lock);
......
212return0;
213}
214
215/*
216 * @description : 驱动出口函数
217 * @param : 无
218 * @return : 无
219 */
220staticvoid __exit led_exit(void)
221{
222/* 注销字符设备驱动 */
223 cdev_del(&gpioled.cdev);/* 删除cdev */
224 unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT);
225
226 device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid);
227 class_destroy(gpioled.class);
228}
229
230 module_init(led_init);
231 module_exit(led_exit);
232 MODULE_LICENSE("GPL");
233 MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");

复制代码

第43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44行，定义自旋锁变量lock。
第61~67行，使用自旋锁实现对设备的互斥访问，第61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62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66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126~131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155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48.1.1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。
48.2.2 运行测试
      1、编译驱动程序
      编写Makefile文件，本章实验的Makefile文件和第四十章实验基本一样，只是将obj-m变量的值改为spinlock.o，Makefile内容如下所示：
示例代码48.2.2.1 Makefile文件

1 KERNELDIR:= /home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
......
4 obj-m := spinlock.o
......
11 clean:
12$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

复制代码

      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

复制代码

编译成功以后就会生成spinlockApp这个应用程序。
3、运行测试
将上一小节编译出来的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

复制代码

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48.1.2小节中一样，先输入如下命令让spinlockAPP软件模拟占用25S的LED灯：

./atomicApp /dev/gpioled 1& //打开LED灯
紧接着再输入如下命令关闭LED灯：
./atomicApp /dev/gpioled 0 //关闭LED灯

复制代码

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atomicApp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：

rmmodspinlock.ko

复制代码

48.3 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。
48.3.1 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。新建名为“9_semaphore”的文件夹，然后在9_semaphore文件夹里面创建vscode工程，工作区命名为“semaphore”。将8_spinlock实验中的spinlock.c复制到9_semaphore文件夹中，并且重命名为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)：
示例代码48.3.1.1 semaphore.c文件代码

1 #include <linux/types.h>
......
14 #include <linux/semaphore.h>
15 #include <asm/mach/map.h>
16 #include <asm/uaccess.h>
17 #include <asm/io.h>
18/***************************************************************
19 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
20文件名 : semaphore.c
21作者 : 左忠凯
22版本 : V1.0
23描述 : 信号量实验，使用信号量来实现对实现设备的互斥访问
24其他 : 无
25论坛 : <a href="www.openedv.com" target="_blank">www.openedv.com</a>
26日志 : 初版V1.0 2019/7/18 左忠凯创建
27 ***************************************************************/
28 #define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
29 #define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
30 #define LEDOFF 0 /* 关灯 */
31 #define LEDON 1 /* 开灯 */
32
33/* gpioled设备结构体 */
34struct gpioled_dev{
35 dev_t devid; /* 设备号 */
36struct cdev cdev; /* cdev */
37struct class *class; /* 类 */
38struct device *device; /* 设备 */
39int major; /* 主设备号 */
40int minor; /* 次设备号 */
41struct device_node *nd; /* 设备节点 */
42int led_gpio; /* led所使用的GPIO编号 */
43struct semaphore sem; /* 信号量 */
44};
45
46struct gpioled_dev gpioled;/* led设备 */
47
48/*
49 * @description : 打开设备
50 * @param – inode : 传递给驱动的inode
51 * @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
52 * 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
53 * @return : 0 成功;其他失败
54 */
55staticint led_open(struct inode *inode,struct file *filp)
56{
57 filp->private_data =&gpioled;/* 设置私有数据 */
58
59/* 获取信号量,进入休眠状态的进程可以被信号打断 */
60if(down_interruptible(&gpioled.sem)){
61return-ERESTARTSYS;
62}
63 #if0
64 down(&gpioled.sem);/* 不能被信号打断 */
65 #endif
66
67return0;
68}
......
114/*
115 * @description : 关闭/释放设备
116 * @param – filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
117 * @return : 0 成功;其他失败
118 */
119staticint led_release(struct inode *inode,struct file *filp)
120{
121struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
122
123 up(&dev->sem);/* 释放信号量，信号量值加1 */
124
125return0;
126}
127
128/* 设备操作函数 */
129staticstruct file_operations gpioled_fops ={
130.owner = THIS_MODULE,
131.open = led_open,
132.read = led_read,
133.write = led_write,
134.release = led_release,
135};
136
137/*
138 * @description : 驱动入口函数
139 * @param : 无
140 * @return : 无
141 */
142staticint __init led_init(void)
143{
144int ret =0;
145
146/* 初始化信号量 */
147 sema_init(&gpioled.sem,1);
......
204return0;
205}
206
207/*
208 * @description : 驱动出口函数
209 * @param : 无
210 * @return : 无
211 */
212staticvoid __exit led_exit(void)
213{
214/* 注销字符设备驱动 */
215 cdev_del(&gpioled.cdev);/* 删除cdev */
216 unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT);
217
218 device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid);
219 class_destroy(gpioled.class);
220}
221
222 module_init(led_init);
223 module_exit(led_exit);
224 MODULE_LICENSE("GPL");
225 MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");

复制代码

      第14行，要使用信号量必须添加<linux/semaphore.h>头文件。
      第43行，在设备结构体中添加一个信号量成员变量sem。
      第60~65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123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147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A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使用48.1.1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。
48.3.2 运行测试
      1、编译驱动程序
      编写Makefile文件，本章实验的Makefile文件和第四十章实验基本一样，只是将obj-m变量的值改为semaphore.o，Makefile内容如下所示：
示例代码48.3.2.1 Makefile文件

1 KERNELDIR:= /home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
......
4 obj-m :=semaphore.o
......
11 clean:
12$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

复制代码

      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

复制代码

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

复制代码

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，测试方法和48.1.2小节中一样，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

复制代码

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48.3.2.1所示：

图48.3.2.1 命令运行过程

如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：

rmmodsemaphore.ko

复制代码

48.4 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。
48.4.1 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
本节实验在第上一节实验驱动文件semaphore.c的基础上修改而来。新建名为“10_mutex”的文件夹，然后在10_mutex文件夹里面创建vscode工程，工作区命名为“mutex”。将9_semaphore实验中的semaphore.c复制到10_mutex文件夹中，并且重命名为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)：
示例代码48.4.1.1 mutex.c文件代码

1 #include <linux/types.h>
......
17 #include <asm/io.h>
18/***************************************************************
20文件名 : mutex.c
21作者 : 左忠凯
22版本 : V1.0
23描述 : 互斥体实验，使用互斥体来实现对实现设备的互斥访问
24其他 : 无
25 论坛 : <a href="www.openedv.com" target="_blank">www.openedv.com</a>
26日志 : 初版V1.0 2019/7/18 左忠凯创建
27 ***************************************************************/
28 #define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
29 #define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
30 #define LEDOFF 0 /* 关灯 */
31 #define LEDON 1 /* 开灯 */
32
33/* gpioled设备结构体 */
34struct gpioled_dev{
35 dev_t devid; /* 设备号 */
36struct cdev cdev; /* cdev */
37struct class *class; /* 类 */
38struct device *device; /* 设备 */
39int major; /* 主设备号 */
40int minor; /* 次设备号 */
41struct device_node *nd; /* 设备节点 */
42int led_gpio; /* led所使用的GPIO编号*/
43struct mutex lock; /* 互斥体 */
44};
45
46struct gpioled_dev gpioled;/* led设备 */
47
48/*
49 * @description : 打开设备
50 * @param – inode : 传递给驱动的inode
51 * @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
52 * 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
53 * @return : 0 成功;其他失败
54 */
55staticint led_open(struct inode *inode,struct file *filp)
56{
57 filp->private_data =&gpioled;/* 设置私有数据 */
58
59/* 获取互斥体,可以被信号打断 */
60if(mutex_lock_interruptible(&gpioled.lock)){
61return-ERESTARTSYS;
62}
63 #if0
64 mutex_lock(&gpioled.lock);/* 不能被信号打断 */
65 #endif
66
67return0;
68}
......
114/*
115 * @description : 关闭/释放设备
116 * @param – filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
117 * @return : 0 成功;其他失败
118 */
119staticint led_release(struct inode *inode,struct file *filp)
120{
121struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
122
123/* 释放互斥锁 */
124 mutex_unlock(&dev->lock);
125
126return0;
127}
128
129/* 设备操作函数 */
130staticstruct file_operations gpioled_fops ={
131.owner = THIS_MODULE,
132.open = led_open,
133.read = led_read,
134.write = led_write,
135.release = led_release,
136};
137
138/*
139 * @description : 驱动入口函数
140 * @param : 无
141 * @return : 无
142 */
143staticint __init led_init(void)
144{
145int ret =0;
146
147/* 初始化互斥体 */
148 mutex_init(&gpioled.lock);
......
205return0;
206}
......
223 module_init(led_init);
224 module_exit(led_exit);
225 MODULE_LICENSE("GPL");
226 MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");

复制代码

      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48.1.1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。
48.4.2 运行测试
      1、编译驱动程序
      编写Makefile文件，本章实验的Makefile文件和第四十章实验基本一样，只是将obj-m变量的值改为mutex.o，Makefile内容如下所示：
示例代码48.4.2.1 Makefile文件

1 KERNELDIR:= /home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
......
4 obj-m :=mutex.o
......
11 clean:
12$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

复制代码

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

复制代码

      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

复制代码

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

复制代码

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48.3.2中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：

rmmodmutex.ko

复制代码

【正点原子Linux连载】第四十八章Linux并发与竞争实验--摘自【正点原子】I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南

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