【正点原子FPGA连载】第三十章Linux并发与竞争实验--摘自【正点原子】领航者 ZYNQ 之linux驱动开发指南

正点原子 · 发表于 2020-9-9 15:19:47

本帖最后由正点原子于 2020-9-16 12:43 编辑

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第三十章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。

30.1原子操作实验
本实验对应的例程路径为：ZYNQ开发板光盘资料(A盘)\4_SourceCode\ZYNQ_7010\3_Embedded_Linux\Linux驱动例程\7_atomic。
本例程我们在第二十七章的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。
30.1.1实验程序编写
1、修改设备树文件
因为本章实验是在第二十七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
本节实验在第二十七章实验驱动文件gpioled.c的基础上修改而来。首先在我们的drivers目录下新建名为“7_atomic”的文件夹，将第二十七章实验目录下的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30.1.1.1 atomic.c文件内容

1 /***************************************************************
2 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
3 文件名 : atomic.c
4 作者 : 邓涛
5 版本 : V1.0
6 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
7 其他 : 无
8 论坛 : <a href="www.openedv.com" target="_blank">www.openedv.com</a>
9 日志 : 初版V1.0 2019/1/30 邓涛创建
10 ***************************************************************/
11
12 #include <linux/types.h>
13 #include <linux/kernel.h>
14 #include <linux/delay.h>
15 #include <linux/ide.h>
16 #include <linux/init.h>
17 #include <linux/module.h>
18 #include <linux/errno.h>
19 #include <linux/gpio.h>
20 #include <asm/mach/map.h>
21 #include <asm/uaccess.h>
22 #include <asm/io.h>
23 #include <linux/cdev.h>
24 #include <linux/of.h>
25 #include <linux/of_address.h>
26 #include <linux/of_gpio.h>
27
28 #define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
29 #define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
30
31 /* dtsled设备结构体 */
32 struct gpioled_dev {
33 dev_t devid; /* 设备号 */
34 struct cdev cdev; /* cdev */
35 struct class *class; /* 类 */
36 struct device *device; /* 设备 */
37 int major; /* 主设备号 */
38 int minor; /* 次设备号 */
39 struct device_node *nd; /* 设备节点 */
40 int led_gpio; /* LED所使用的GPIO编号 */
41 atomic_t lock; /* 原子变量 */
42 };
43
44 static struct gpioled_dev gpioled; /* led设备 */
45
46 /*
47 * @description : 打开设备
48 * @param – inode : 传递给驱动的inode
49 * @param – filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
50 * 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
51 * @return : 0 成功;其他失败
52 */
53 static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
54 {
55 /* 通过判断原子变量的值来检查LED有没有被别的应用使用 */
56 if (!atomic_dec_and_test(&gpioled.lock)) {
57 printk(KERN_ERR "gpioled: Device is busy!\n");
58 atomic_inc(&gpioled.lock); /* 小于0的话就加1,使其原子变量等于0 */
59 return -EBUSY; /* LED被其他应用使用，返回忙 */
60 }
61
62 return 0;
63 }
64
65 /*
66 * @description : 从设备读取数据
67 * @param – filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
68 * @param – buf : 返回给用户空间的数据缓冲区
69 * @param – cnt : 要读取的数据长度
70 * @param – offt : 相对于文件首地址的偏移
71 * @return : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败
72 */
73 static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf,
74 size_t cnt, loff_t *offt)
75 {
76 return 0;
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 */
87 static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf,
88 size_t cnt, loff_t *offt)
89 {
90 int ret;
91 char kern_buf[1];
92
93 ret = copy_from_user(kern_buf, buf, cnt); // 得到应用层传递过来的数据
94 if(0 > ret) {
95 printk(KERN_ERR "kernel write failed!\r\n");
96 return -EFAULT;
97 }
98
99 if (0 == kern_buf[0])
100 gpio_set_value(gpioled.led_gpio, 0); // 如果传递过来的数据是0则关闭led
101 else if (1 == kern_buf[0])
102 gpio_set_value(gpioled.led_gpio, 1); // 如果传递过来的数据是1则点亮led
103
104 return 0;
105 }
106
107 /*
108 * @description : 关闭/释放设备
109 * @param – filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
110 * @return : 0 成功;其他失败
111 */
112 static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
113 {
114 /* 关闭驱动文件的时候释放原子变量 */
115 atomic_inc(&gpioled.lock);
116
117 return 0;
118 }
119
120 /* 设备操作函数 */
121 static struct file_operations gpioled_fops = {
122 .owner = THIS_MODULE,
123 .open = led_open,
124 .read = led_read,
125 .write = led_write,
126 .release = led_release,
127 };
128
129 static int __init led_init(void)
130 {
131 const char *str;
132 int ret;
133
134 /* 1.获取led设备节点 */
135 gpioled.nd = of_find_node_by_path("/led");
136 if(NULL == gpioled.nd) {
137 printk(KERN_ERR "gpioled: Failed to get /led node\n");
138 return -EINVAL;
139 }
140
141 /* 2.读取status属性 */
142 ret = of_property_read_string(gpioled.nd, "status", &str);
143 if(!ret) {
144 if (strcmp(str, "okay"))
145 return -EINVAL;
146 }
147
148 /* 2、获取compatible属性值并进行匹配 */
149 ret = of_property_read_string(gpioled.nd, "compatible", &str);
150 if(0 > ret) {
151 printk(KERN_ERR "gpioled: Failed to get compatible property\n");
152 return ret;
153 }
154
155 if (strcmp(str, "alientek,led")) {
156 printk(KERN_ERR "gpioled: Compatible match failed\n");
157 return -EINVAL;
158 }
159
160 printk(KERN_INFO "gpioled: device matching successful!\r\n");
161
162 /* 4.获取设备树中的led-gpio属性，得到LED所使用的GPIO编号 */
163 gpioled.led_gpio = of_get_named_gpio(gpioled.nd, "led-gpio", 0);
164 if(!gpio_is_valid(gpioled.led_gpio)) {
165 printk(KERN_ERR "gpioled: Failed to get led-gpio\n");
166 return -EINVAL;
167 }
168
169 printk(KERN_INFO "gpioled: led-gpio num = %d\r\n", gpioled.led_gpio);
170
171 /* 5.向gpio子系统申请使用GPIO */
172 ret = gpio_request(gpioled.led_gpio, "LED-GPIO");
173 if (ret) {
174 printk(KERN_ERR "gpioled: Failed to request led-gpio\n");
175 return ret;
176 }
177
178 /* 6.将led gpio管脚设置为输出模式 */
179 gpio_direction_output(gpioled.led_gpio, 0);
180
181 /* 7.初始化LED的默认状态 */
182 ret = of_property_read_string(gpioled.nd, "default-state", &str);
183 if(!ret) {
184 if (!strcmp(str, "on"))
185 gpio_set_value(gpioled.led_gpio, 1);
186 else
187 gpio_set_value(gpioled.led_gpio, 0);
188 } else
189 gpio_set_value(gpioled.led_gpio, 0);
190
191 /* 8.注册字符设备驱动 */
192 /* 创建设备号 */
193 if (gpioled.major) {
194 gpioled.devid = MKDEV(gpioled.major, 0);
195 ret = register_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME);
196 if (ret)
197 goto out1;
198 } else {
199 ret = alloc_chrdev_region(&gpioled.devid, 0, GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME);
200 if (ret)
201 goto out1;
202
203 gpioled.major = MAJOR(gpioled.devid);
204 gpioled.minor = MINOR(gpioled.devid);
205 }
206
207 printk("gpioled: major=%d,minor=%d\r\n",gpioled.major, gpioled.minor);
208
209 /* 初始化cdev */
210 gpioled.cdev.owner = THIS_MODULE;
211 cdev_init(&gpioled.cdev, &gpioled_fops);
212
213 /* 添加一个cdev */
214 ret = cdev_add(&gpioled.cdev, gpioled.devid, GPIOLED_CNT);
215 if (ret)
216 goto out2;
217
218 /* 创建类 */
219 gpioled.class = class_create(THIS_MODULE, GPIOLED_NAME);
220 if (IS_ERR(gpioled.class)) {
221 ret = PTR_ERR(gpioled.class);
222 goto out3;
223 }
224
225 /* 创建设备 */
226 gpioled.device = device_create(gpioled.class, NULL,
227 gpioled.devid, NULL, GPIOLED_NAME);
228 if (IS_ERR(gpioled.device)) {
229 ret = PTR_ERR(gpioled.device);
230 goto out4;
231 }
232
233 /* 9.初始化原子变量 */
234 atomic_set(&gpioled.lock, 1); /* 原子变量初始值为1 */
235
236 return 0;
237
238 out4:
239 class_destroy(gpioled.class);
240
241 out3:
242 cdev_del(&gpioled.cdev);
243
244 out2:
245 unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT);
246
247 out1:
248 gpio_free(gpioled.led_gpio);
249
250 return ret;
251 }
252
253 static void __exit led_exit(void)
254 {
255 /* 注销设备 */
256 device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid);
257
258 /* 注销类 */
259 class_destroy(gpioled.class);
260
261 /* 删除cdev */
262 cdev_del(&gpioled.cdev);
263
264 /* 注销设备号 */
265 unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT);
266
267 /* 释放GPIO */
268 gpio_free(gpioled.led_gpio);
269 }
270
271 /* 驱动模块入口和出口函数注册 */
272 module_init(led_init);
273 module_exit(led_exit);
274
275 MODULE_AUTHOR("DengTao <<a href="mailto:773904075@qq.com">773904075@qq.com</a>>");
276 MODULE_DESCRIPTION("Alientek ZYNQ GPIO LED Driver");
277 MODULE_LICENSE("GPL");

复制代码

第41行，在struct gpioled_dev结构体中定义了一个原子变量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53~63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，并打印“gpioled: Device is busy!”。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115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234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
在7_atomic实验目录下新建名为atomicApp.c的测试APP，在里面输入如下所示内容：
示例代码30.1.1.2 atomicApp.c文件内容

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

复制代码

atomicApp.c中的内容就是在第二十七章的ledAPP.c的基础上修改而来的，重点是加入了第62~67行的模拟占用25秒LED设备的代码。测试APP在获取到LED设备使用权以后会使用25秒，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！
30.1.2运行测试
1、编译驱动程序
编写Makefile文件，将二十七章实验目录下的Makefile文件拷贝到7_atomic目录下，修改Makefile文件的obj-m变量，修改完成之后Makefile内容如下所示：
示例代码30.1.2.1 Makefile文件内容

1 KERN_DIR := /home/zynq/linux/kernel/linux-xlnx-xilinx-v2018.3
2
3 obj-m := atomic.o
4
5 all:
6 make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules
7
8 clean:
9 make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` clean

复制代码

第3行，设置obj-m变量的值为atomic.，其它的都没改。
修改完成之后保存退出，输入如下命令编译出驱动模块文件：
make
编译成功以后就会生成一个名为“atomic.ko”的驱动模块文件，如下所示：

图 41.1.1 编译atomic驱动模块

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这两个文件拷贝到开发板根文件系统/lib/modules/4.14.0-xilinx目录中，重启开发板，进入到目录/lib/modules/4.14.0-xilinx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运行atomicApp程序，“&”表示将程序放置后台运行，不占用终端：

./atomicApp /dev/gpioled 0 & //熄灭LED灯

复制代码

输入上述命令以后查看开发板上的PS_LED0灯是否熄灭（驱动成功加载之后LED会被点亮），然后每隔5秒都会输出一行“App running times ”，如图 41.1.2所示：

图 41.1.2 熄灭LED灯

从图 41.1.2中可以看出，atomicApp运行正常，输出了“App running times:1”和“App running times:2”，这就是模拟25秒占用LED设备，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 1 //点亮LED灯

复制代码

输入上述命令以后会发现如图 41.1.3所示输入信息：

图 41.1.3 点亮LED灯

从图 41.1.3可以看出，打开/dev/gpioled失败！原因是在图 41.1.2中运行的atomicApp软件正在占用/dev/gpioled，也就是它正在占用LED设备，如果再次运行atomicApp软件去操作/dev/gpioled肯定会失败。必须等待图 41.1.2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

复制代码

30.2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。
本实验对应的例程路径为：ZYNQ开发板光盘资料(A盘)\4_SourceCode\ZYNQ_7010\3_Embedded_Linux\Linux驱动例程\8_spinlock。
30.2.1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。在drivers目录下新建名为“8_spinlock”的文件夹，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30.2.1.1 spinlock.c文件内容（片段）

......
28 #define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
29 #define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
30
31 /* dtsled设备结构体 */
32 struct gpioled_dev {
33 dev_t devid; /* 设备号 */
34 struct cdev cdev; /* cdev */
35 struct class *class; /* 类 */
36 struct device *device; /* 设备 */
37 int major; /* 主设备号 */
38 int minor; /* 次设备号 */
39 struct device_node *nd; /* 设备节点 */
40 int led_gpio; /* LED所使用的GPIO编号 */
41 int dev_stats; /* 设备状态: 0,设备未使用; >0,设备已经被使用 */
42 spinlock_t lock; /* 自旋锁 */
43 };
44
45 static struct gpioled_dev gpioled; /* led设备 */
......
54 static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
55 {
56 unsigned long flags;
57 int ret = 0;
58
59 /* 自旋锁上锁 */
60 spin_lock_irqsave(&gpioled.lock, flags);
61
62 /* 如果设备被使用了 */
63 if (gpioled.dev_stats) {
64 printk(KERN_ERR "gpioled: Device is busy!\n");
65 ret = -EBUSY;
66 goto out;
67 }
68
69 /* 如果设备没有打开，那么就标记已经打开了 */
70 gpioled.dev_stats++;
71
72 out:
73 /* 解锁 */
74 spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags);
75 return ret;
76 }
......
125 static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
126 {
127 unsigned long flags;
128
129 /* 上锁 */
130 spin_lock_irqsave(&gpioled.lock, flags);
131
132 /* 关闭驱动文件的时候将dev_stats减1 */
133 if (gpioled.dev_stats)
134 gpioled.dev_stats--;
135
136 /* 解锁 */
137 spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags);
138
139 return 0;
140 }
......
151 static int __init led_init(void)
152 {
......
255 /* 9.初始化自旋锁 */
256 spin_lock_init(&gpioled.lock);
......
273 }

复制代码

第41行，dev_stats变量表示设备状态，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42行，定义自旋锁变量lock。
第54~76行，在open函数中使用自旋锁实现对设备的互斥访问，第60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63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，那么就使用goto跳转到out处执行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70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125~140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256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41.1.1小节中的atomicApp.c即可，将7_atomic目录中的atomicApp.c文件拷贝到本例程目录中，并将atomicApp.c重命名为spinlockApp.c即可。
30.2.2运行测试
1、编译驱动程序
编写Makefile文件，将7_atomic目录下的Makefile文件拷贝本实验目录中，打开Makefile文件将obj-m变量的值改为spinlock.o，Makefile内容如下所示：
示例代码30.2.2.1 Makefile文件内容

1 KERN_DIR := /home/zynq/linux/kernel/linux-xlnx-xilinx-v2018.3
2
3 obj-m := spinlock.o
4
5 all:
6 make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules
7
8 clean:
9 make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` clean

复制代码

第3行，设置obj-m变量的值为spinlock.o。
修改完成之后保存退出，输入如下命令编译出驱动模块文件：
make
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这两个文件拷贝到开发板根文件系统/lib/modules/4.14.0-xilinx目录中，重启开发板，进入到目录/lib/modules/4.14.0-xilinx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41.1.2小节中一样，先输入如下命令让spinlockApp软件模拟占用25秒的LED设备：

./atomicApp /dev/gpioled 0 & //关闭LED灯

复制代码

紧接着再输入如下命令打开LED灯：

./atomicApp /dev/gpioled 0 //打开LED灯

复制代码

看一下能不能打开LED设备，驱动正常工作的话并不会打开LED设备，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设备。
如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：

rmmod spinlock.ko

复制代码

30.3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。
本实验对应的例程路径为：ZYNQ开发板光盘资料(A盘)\4_SourceCode\ZYNQ_7010\3_Embedded_Linux\Linux驱动例程\9_semaphore。
30.3.1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
本节实验在上一节实验驱动文件spinlock.c的基础上修改而来。在drivers目录下新建名为“9_semaphore”的文件夹，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30.3.1.1 semaphore.c文件代码

......
12 #include <linux/types.h>
13 #include <linux/kernel.h>
14 #include <linux/delay.h>
15 #include <linux/ide.h>
16 #include <linux/init.h>
17 #include <linux/module.h>
18 #include <linux/errno.h>
19 #include <linux/gpio.h>
20 #include <asm/mach/map.h>
21 #include <asm/uaccess.h>
22 #include <asm/io.h>
23 #include <linux/cdev.h>
24 #include <linux/of.h>
25 #include <linux/of_address.h>
26 #include <linux/of_gpio.h>
27 #include <linux/semaphore.h>
28
29 #define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
30 #define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
31
32 /* dtsled设备结构体 */
33 struct gpioled_dev {
34 dev_t devid; /* 设备号 */
35 struct cdev cdev; /* cdev */
36 struct class *class; /* 类 */
37 struct device *device; /* 设备 */
38 int major; /* 主设备号 */
39 int minor; /* 次设备号 */
40 struct device_node *nd; /* 设备节点 */
41 int led_gpio; /* LED所使用的GPIO编号 */
42 struct semaphore sem; /* 信号量 */
43 };
......
54 static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
55 {
56 /* 获取信号量,如果获取不到则会进入休眠状态 */
57 if (down_interruptible(&gpioled.sem))
58 return -ERESTARTSYS;
59
60 #if 0
61 down(&gpioled.sem);
62 #endif
63
64 return 0;
65 }
......
114 static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
115 {
116 /* 释放信号量，信号量值加1 */
117 up(&gpioled.sem);
118
119 return 0;
120 }
......
131 static int __init led_init(void)
132 {
......
235 /* 初始化信号量 */
236 sema_init(&gpioled.sem, 1);
......
253 }
......

复制代码

第29行，要使用信号量必须添加<linux/semaphore.h>头文件。
第42行，在设备结构体中添加一个信号量成员变量sem。
第54~65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。如果信号量值大于或等于1就表示可用，那么应用程序就会开始使用LED设备。如果信号量值为0就表示应用程序不能使用LED设备，此时应用程序就会进入到休眠状态。等到信号量值大于或等于1的时候应用程序就会唤醒，申请到信号量，获取LED设备使用权。
第117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236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设备还没有被使用，如果应用程序A要使用LED设备，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设备，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设备了，此时在休眠状态的应用程序A就会被唤醒获取到信号量sem，获取成功以后就开始控制LED设备了。
3、编写测试APP
测试APP使用41.1.1小节中的atomicApp.c即可，将7_atomic中的atomicApp.c文件到本实验目录下中，并将atomicApp.c重命名为semaphoreApp.c即可。
30.3.2运行测试
1、编译驱动程序
编写Makefile文件，将上一小节实验目录下的Makefile文件拷贝到本实验目录9_semaphore下，打开Makefile文件将obj-m变量的值改为semaphore.o，Makefile内容如下所示：
示例代码30.3.2.1 Makefile文件内容

1 KERN_DIR := /home/zynq/linux/kernel/linux-xlnx-xilinx-v2018.3
2
3 obj-m := semaphore.o
4
5 all:
6 make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules
7
8 clean:
9 make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` clean

复制代码

第3行，设置obj-m变量的值为semaphore.o。
修改完成保存退出，输入如下命令编译出驱动模块文件：
make
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 semaphoreApp.c -o semaphoreApp

复制代码

编译成功以后就会生成semaphoreApp这个应用程序。
3、运行测试
将上一小节编译出来的semaphore.ko和semaphoreApp这两个文件拷贝到开发板根文件系统/lib/modules/4.14.0-xilinx目录中，重启开发板，进入到目录/lib/modules/4.14.0-xilinx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semaphoreApp软件测试驱动是否工作正常，测试方法和41.1.2小节中一样，先输入如下命令让semaphoreApp软件模拟占用25S的LED灯：

./semaphoreApp /dev/gpioled 0 & //关闭LED灯

复制代码

紧接着再输入如下命令打开LED灯：

./semaphoreApp /dev/gpioled 1 & //打开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设备，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设备使用权，将LED灯关闭，运行结果如图 41.3.1所示：

图 41.3.1 两条命令运行过程

如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：

rmmod semaphore.ko

复制代码

30.4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设备的互斥访问，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设备的互斥访问。
本实验对应的例程路径为：ZYNQ开发板光盘资料(A盘)\4_SourceCode\ZYNQ_7010\3_Embedded_Linux\Linux驱动例程\10_mutex。
30.4.1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。在drivers目录下新建名为“10_mutex”的文件夹，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30.4.1.1 mutex.c文件代码

......
29 #define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
30 #define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
31
32 /* dtsled设备结构体 */
33 struct gpioled_dev {
34 dev_t devid; /* 设备号 */
35 struct cdev cdev; /* cdev */
36 struct class *class; /* 类 */
37 struct device *device; /* 设备 */
38 int major; /* 主设备号 */
39 int minor; /* 次设备号 */
40 struct device_node *nd; /* 设备节点 */
41 int led_gpio; /* LED所使用的GPIO编号 */
42 struct mutex lock; /* 互斥体 */
43 };
44
45 static struct gpioled_dev gpioled; /* led设备 */
......
54 static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
55 {
56 /* 获取互斥体,可以被信号打断 */
57 if (mutex_lock_interruptible(&gpioled.lock))
58 return -ERESTARTSYS;
59
60 #if 0
61 mutex_lock(&gpioled.lock); /* 不能被信号打断 */
62 #endif
63
64 return 0;
65 }
......
114 static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
115 {
116 /* 释放互斥锁 */
117 mutex_unlock(&gpioled.lock);
118
119 return 0;
120 }
......
131 static int __init led_init(void)
132 {
133 const char *str;
134 int ret;
......
235 /* 初始化互斥体 */
236 mutex_init(&gpioled.lock);
......
252 return ret;
253 }

复制代码

第42行，定义互斥体lock。
第54~65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设备，失败的话就会进入休眠状态，和信号量一样。
第117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236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41.1.1小节中的atomicApp.c即可，将7_atomic中的atomicApp.c文件拷贝到本实验目录10_mutex中，并将atomicApp.c重命名为mutexApp.c即可。
30.4.2运行测试
1、编译驱动程序
编写Makefile文件，将上一节实验目录下的Makefile文件拷贝到本实验目录下，打开Makefile文件将obj-m变量的值改为mutex.o，Makefile内容如下所示：
示例代码30.4.2.1 Makefile文件

1 KERN_DIR := /home/zynq/linux/kernel/linux-xlnx-xilinx-v2018.3
2
3 obj-m := mutex.o
4
5 all:
6 make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -C $(KERN_DIR) M=`pwd` modules
7
8 clean:
9 make -C $(KERN_DIR) M=`pwd` clean

复制代码

第3行，设置obj-m变量的值为mutex.o。
Makefile修改完成之后保存退出，输入如下命令编译出驱动模块文件：

make

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这两个文件拷贝到开发板根文件系统/lib/modules/4.14.0-xilinx目录中，重启开发板，进入到目录/lib/modules/4.14.0-xilinx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41.3.2中测试信号量的方法一样，这里不说了！
如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：

rmmod mutex.ko

复制代码

【正点原子FPGA连载】第三十章Linux并发与竞争实验--摘自【正点原子】领航者 ZYNQ 之linux驱动开发指南

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