Linux 设备驱动中的 I/O模型（二）—— 异步通知和异步I/O

时间：2021-09-23 19:06:47

       阻塞和非阻塞访问、poll() 函数提供了较多地解决设备访问的机制，但是如果有了异步通知整套机制就更加完善了。

      异步通知的意思是：一旦设备就绪，则主动通知应用程序，这样应用程序根本就不需要查询设备状态，这一点非常类似于硬件上“中断”的概念，比较准确的称谓是“信号驱动的异步I/O”。信号是在软件层次上对中断机制的一种模拟，在原理上，一个进程收到一个信号与处理器收到一个中断请求可以说是一样的。信号是异步的，一个进程不必通过任何操作来等待信号的到达，事实上，进程也不知道信号到底什么时候到达。

    阻塞I/O意味着移植等待设备可访问后再访问，非阻塞I/O中使用poll()意味着查询设备是否可访问，而异步通知则意味着设备通知自身可访问，实现了异步I/O。由此可见，这种方式I/O可以互为补充。


1、异步通知的概念和作用

影响：阻塞–应用程序无需轮询设备是否可以访问

           非阻塞–中断进行通知

即：由驱动发起，主动通知应用程序


2、linux异步通知编程

2.1 linux信号

作用：linux系统中，异步通知使用信号来实现

函数原型为：

void (*signal(int signum,void (*handler))(int)))(int)

原型比较难理解可以分解为

typedef void(*sighandler_t)(int);
 
sighandler_t signal(int signum,sighandler_t handler);

第一个参数是指定信号的值，第二个参数是指定针对前面信号的处理函数


2.2 信号的处理函数（在应用程序端捕获信号）

signal()函数

//启动信号机制

void sigterm_handler(int sigo)
{
char data[MAX_LEN];
int len;
len = read(STDIN_FILENO,&data,MAX_LEN);
data[len] = 0;
printf("Input available:%s\n",data);
exit(0);
 }

int main(void)
{

int oflags;

//启动信号驱动机制
signal(SIGIO,sigterm_handler);
fcntl(STDIN_FILENO,F_SETOWN,getpid());
oflags = fcntl(STDIN_FILENO,F_GETFL);
fctcl(STDIN_FILENO,F_SETFL,oflags | FASYNC);

//建立一个死循环，防止程序结束 
whlie(1);

return 0;
}

2.3 信号的释放 (在设备驱动端释放信号)

      为了是设备支持异步通知机制，驱动程序中涉及以下3项工作

（1）、支持F_SETOWN命令，能在这个控制命令处理中设置filp->f_owner为对应的进程ID。不过此项工作已由内核完成，设备驱动无须处理。
（2）、支持F_SETFL命令处理，每当FASYNC标志改变时，驱动函数中的fasync()函数得以执行。因此，驱动中应该实现fasync()函数
（3）、在设备资源中可获得，调用kill_fasync（）函数激发相应的信号

     

     设备驱动中异步通知编程比较简单，主要用到一项数据结构和两个函数。这个数据结构是fasync_struct 结构体，两个函数分别是：

a -- 处理FASYNC标志变更

int fasync_helper(int fd,struct file *filp,int mode,struct fasync_struct **fa);

b -- 释放信号用的函数

void kill_fasync(struct fasync_struct **fa,int sig,int band);

和其他结构体指针放到设备结构体中，模板如下

struct xxx_dev{
struct cdev cdev;
...
struct fasync_struct *async_queue;
//异步结构体指针
};

      在设备驱动中的fasync()函数中，只需简单地将该函数的3个参数以及fasync_struct结构体指针的指针作为第四个参数传入fasync_helper()函数就可以了，模板如下

static int xxx_fasync(int fd,struct file *filp, int mode)
{
struct xxx_dev *dev = filp->private_data;
return fasync_helper(fd, filp, mode, &dev->async_queue);
}
     在设备资源可获得时应该调用kill_fasync()函数释放SIGIO信号，可读时第三个参数为POLL_IN，可写时第三个参数为POLL_OUT，模板如下 
static ssize_t xxx_write(struct file *filp,const char __user *buf,size_t count,loff_t *ppos){struct xxx_dev *dev = filp->private_data;... if(dev->async_queue) kill_fasync(&dev->async_queue,GIGIO,POLL_IN); ...}

    最后在文件关闭时，要将文件从异步通知列表中删除 
int xxx_release(struct inode *inode,struct file *filp)
{
xxx_fasync(-1,filp,0);

...
return 0;

}

3、下面是个实例：

hello.c

#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <linux/fcntl.h>

static int major = 250;
static int minor=0;
static dev_t devno;
static struct class *cls;
static struct device *test_device;

static char temp[64]={0};
static struct fasync_struct *fasync;

static int hello_open (struct inode *inode, struct file *filep)
{
return 0;
}
static int hello_release(struct inode *inode, struct file *filep)
{
return 0;
}

static ssize_t hello_read(struct file *filep, char __user *buf, size_t len, loff_t *pos)
{
if(len>64)
{
len =64;
}
if(copy_to_user(buf,temp,len))
{
return -EFAULT;
}
return len;
}
static ssize_t hello_write(struct file *filep, const char __user *buf, size_t len, loff_t *pos)
{
if(len>64)
{
len = 64;
}

if(copy_from_user(temp,buf,len))
{
return -EFAULT;
}
printk("write %s\n",temp);

kill_fasync(&fasync, SIGIO, POLL_IN);
return len;
}

static int hello_fasync (int fd, struct file * file, int on)
{
return fasync_helper(fd, file, on, &fasync);

}
static struct file_operations hello_ops=
{
.open = hello_open,
.release = hello_release,
.read =hello_read,
.write=hello_write,
};
static int hello_init(void)
{
int ret;
devno = MKDEV(major,minor);
ret = register_chrdev(major,"hello",&hello_ops);

cls = class_create(THIS_MODULE, "myclass");
if(IS_ERR(cls))
{
unregister_chrdev(major,"hello");
return -EBUSY;
}
test_device = device_create(cls,NULL,devno,NULL,"hello");//mknod /dev/hello
if(IS_ERR(test_device))
{
class_destroy(cls);
unregister_chrdev(major,"hello");
return -EBUSY;
}
return 0;
}
static void hello_exit(void)
{
device_destroy(cls,devno);
class_destroy(cls);
unregister_chrdev(major,"hello");
printk("hello_exit \n");
}
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(hello_init);
module_exit(hello_exit);

test.c

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

static int fd,len;
static char buf[64]={0};

void func(int signo)
{
printf("signo %d \n",signo);
read(fd,buf,64);
printf("buf=%s \n",buf);
}

main()
{

int flage,i=0;

fd = open("/dev/hello",O_RDWR);
if(fd<0)
{
perror("open fail \n");
return ;
}


fcntl(fd,F_SETOWN,getpid());
flage = fcntl(fd,F_GETFL);
fcntl(fd,F_SETFL,flage|FASYNC);

signal(SIGIO,func);

while(1)
{

sleep(1);
printf("%d\n",i++);
}

close(fd);
}






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