第27章非阻塞IO实验

上个章节中我们学习了阻塞IO，阻塞IO是通过等待队列来实现的，那么如何让驱动实现非阻塞呢？带着疑问，让我们开始本章节非阻塞IO的学习吧！

27.1 非阻塞IO简介

应用程序可以使用如下所示示例代码来实现阻塞访问：

int fd;

int data = 0;

fd = open("/dev/xxx_dev", O_RDWR);  /* 阻塞方式打开 */

ret = read(fd, &data, sizeof(data));   /* 读取数据 */

可以看出对于设备驱动文件的默认读取方式就是阻塞式的，所以之前实验例程测试 APP 都是采用阻塞 IO。

如果应用程序要采用非阻塞的方式来访问驱动设备文件，可以使用如下所示代码：

int fd;

int data = 0;

fd = open("/dev/xxx_dev", O_RDWR | O_NONBLOCK); /* 非阻塞方式打开 */

ret = read(fd, &data, sizeof(data)); /* 读取数据 */

使用 open 函数打开“/dev/xxx_dev”设备文件的时候添加了参数“O_NONBLOCK”，表示以非阻塞方式打开设备，这样从设备中读取数据的时候是非阻塞方式了。

27.2 实验程序编写

27.2.1 编写测试 APP

非阻塞IO实验需要应用程序和驱动配合，所以需要编写驱动代码和应用测试代码。

本实验对应的应用程序网盘路径为：iTOP-RK3568开发板【底板V1.7版本】\03_【iTOP-RK3568开发板】指南教程\02_Linux驱动配套资料\04_Linux驱动例程\21\app。

首先来编写应用测试代码read.c，在此代码中使用非阻塞的方式打开设备，编写好的代码如下所示：

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

int main(int argc, char *argv[])  
{
    int fd;  //定义int类型的文件描述符
    char buf1[32] = {0};   //定义读取缓冲区buf
    char buf2[32] = {0};  //定义读取缓冲区buf
    fd = open("/dev/test",O_RDWR| O_NONBLOCK);  //打开/dev/test设备
    if (fd < 0)
    {
        perror("open error \n");
        return fd;
    }
printf("read before \n");
    while (1)
    {
         read(fd,buf1,sizeof(buf1));  //从/dev/test文件读取数据
         printf("buf is %s \n",buf1);  //打印读取的数据
         sleep(1);
        
    }
    printf("read after\n");
    close(fd);     //关闭文件
    return 0;
}

接着编写应用程序write.c，用来向设备文件写入数据，编写好的应用程序如下所示：

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

int main(int argc, char *argv[])  
{
    int fd;
    char buf1[32] = {0};   
    char buf2[32] = "nihao";
    fd = open("/dev/test", O_RDWR|O_NONBLOCK);  //打开/dev/test设备
    if (fd < 0)
    {
        perror("open error \n");
        return fd;
    }
    printf("write before \n");
    write(fd,buf2,sizeof(buf2));  //向/dev/test文件写入数据
     printf("write after\n");
    close(fd);     //关闭文件
    return 0;
}

27.2.1 驱动程序编写

本实验对应的网盘路径为：iTOP-RK3568开发板【底板V1.7版本】\03_【iTOP-RK3568开发板】指南教程\02_Linux驱动配套资料\04_Linux驱动例程\21\module。

编写好的驱动程序wq.c如下所示：

#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>
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  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;    //将条件置1，并使用wake_up_interruptible唤醒等待队列中的休眠进程
    wake_up_interruptible(&read_wq); 

    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); //可中断的阻塞等待，使进程进入休眠态
    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;
}

/*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
};

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);
MODULE_LICENSE("GPL v2");
MODULE_AUTHOR("topeet");

27.3 运行测试

27.3.1 编译驱动程序

在上一小节中的wq.c代码同一目录下创建 Makefile 文件，Makefile 文件内容如下所示：

export ARCH=arm64#设置平台架构
export CROSS_COMPILE=aarch64-linux-gnu-#交叉编译器前缀
obj-m += wq.o    #此处要和你的驱动源文件同名
KDIR :=/home/topeet/Linux/linux_sdk/kernel    #这里是你的内核目录    
PWD ?= $(shell pwd)
all:
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) modules    #make操作
clean:
    make -C $(KDIR) M=$(PWD) clean    #make clean操作

对于Makefile的内容注释已在上图添加，保存退出之后，来到存放wq.c和Makefile文件目录下，如下图（图 27-1）所示：