中断方式按键驱动中引入poll机制

学习目的：

• 理解linux中poll机制的原理
• 加入poll机制，优化在上一篇学习的中断方式的按键驱动

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上一篇实现了中断方式的按键驱动程序，当应用程序去读取按键值时，如果此时无按键按下或松开，应用程序将进入休眠。休眠过程虽然不占用CPU的资源，但如果无按键按下或松开情况发生，应用程序将永远不会被唤醒，那么程序中其他的事情就不能被处理，很显然这样是不合理的。引入poll机制，便能解决这种情况。当应用程序中调用poll函数，可以设置等待超时时间，如果等待超过了设置超时时间，程序会立即返回，继续执行其他操作。

1、内核中poll机制实现

我们知道应用程序通过调用C库中实现的open、read等系统调用进入内核，调用内核中对应的sys_open、sys_read函数。与此类似，poll最终也会调用到内核中的sys_poll，分析时先从sys_poll开始，从上往下看，层层递进，找出其他关系。

1.1 sys_poll函数

asmlinkage long sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds,
            long timeout_msecs)
{
    s64 timeout_jiffies;

    if (timeout_msecs > 0) {
#if HZ > 1000
        /* We can only overflow if HZ > 1000 */
        if (timeout_msecs / 1000 > (s64)0x7fffffffffffffffULL / (s64)HZ)
            timeout_jiffies = -1;
        else
#endif
            timeout_jiffies = msecs_to_jiffies(timeout_msecs);
    } else {
        /* Infinite (< 0) or no (0) timeout */
        timeout_jiffies = timeout_msecs;
    }

    return do_sys_poll(ufds, nfds, &timeout_jiffies);
}

sys_poll位于fs/select.c文件中，它对超时时间进行处理，最后调用do_sys_poll

1.2 do_sys_poll函数

int do_sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds, s64 *timeout)
{
    ...
    poll_initwait(&table);
    ...
    fdcount = do_poll(nfds, head, &table, timeout);
    ...
}

poll_initwait函数初始化一个poll_wqueues类型结构体，

poll_initwait>>init_poll_funcptr(&pwq->pt, __pollwait)>>pt->qproc = qproc; 即table.pt.proc = __pollwait

1.3 do_poll函数

static int do_poll(unsigned int nfds,  struct poll_list *list,
           struct poll_wqueues *wait, s64 *timeout)
{
    ...
    for (;;) {----------------------------------------------------------->①

                ...
                if (do_pollfd(pfd, pt)) {-------------------------------->②
                    count++;
                    pt = NULL;
                }
            }

        ...
        if (count || !*timeout || signal_pending(current))
            break;
        count = wait->error;
        if (count)
            break;

        if (*timeout < 0) {
            /* Wait indefinitely */
            __timeout = MAX_SCHEDULE_TIMEOUT;
        } else if (unlikely(*timeout >= (s64)MAX_SCHEDULE_TIMEOUT-1)) {

            __timeout = MAX_SCHEDULE_TIMEOUT - 1;
            *timeout -= __timeout;
        } else {
            __timeout = *timeout;
            *timeout = 0;
        }

        __timeout = schedule_timeout(__timeout);------------------------>③
        if (*timeout >= 0)
            *timeout += __timeout;
    }
    __set_current_state(TASK_RUNNING);
    return count;
}

 ①处可看出该函数内部是一个循环，他的退出条件为：

        a. do_pollfd返回非0，count非零、等待超时、有信号等待处理

        b. 等待出现错误

②处do_pollfd是该函数中的核心，后面再分析

③处让本进程进入休眠，应用程序执行poll调用后，如果①②的条件不满足，进程就会进入休眠。那么，谁唤醒呢？除了休眠到指定时间被系统唤醒外，还可以被驱动程序唤醒──记住这点，这就是为什么驱动的poll里要调用poll_wait的原因，后面分析。

 1.4 do_pollfd函数

static inline unsigned int do_pollfd(struct pollfd *pollfd, poll_table *pwait)
{
...
            if (file->f_op && file->f_op->poll)
                mask = file->f_op->poll(file, pwait);

...
}

调用驱动程序中file_operations结构体中填充的poll函数

1.4 驱动程序

驱动程序里与poll相关的地方有两处：一是构造file_operation结构时，要定义自己的poll函数。二是通过poll_wait来调用上面说到的__pollwait函数，pollwait的代码如下：

static inline void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p)
{
    if (p && wait_address)
        p->qproc(filp, wait_address, p);
}

p->qproc(filp, wait_address, p)，即table.pt.proc = __pollwait，最终调用到__pollwait函数

static void __pollwait(struct file *filp, wait_queue_head_t *wait_address,
                poll_table *p)
{
    struct poll_table_entry *entry = poll_get_entry(p);
    if (!entry)
        return;
    get_file(filp);
    entry->filp = filp;
    entry->wait_address = wait_address;
    init_waitqueue_entry(&entry->wait, current);
    add_wait_queue(wait_address, &entry->wait);
}

__pollwait将当前的应用程序的进程挂到应用程序中定义的等待列中

执行到驱动程序的poll_wait函数时，进程并没有休眠，我们的驱动程序里实现的poll函数是不会引起休眠的。让进程进入休眠，是前面分析的do_sys_poll函数的③“__timeout = schedule_timeout(__timeout)”。

poll_wait只是把本进程挂入某个队列，应用程序调用poll > sys_poll > do_sys_poll > poll_initwait，do_poll > do_pollfd > 我们自己写的poll函数后，再调用schedule_timeout进入休眠。如果我们的驱动程序发现情况就绪，可以把这个队列上挂着的进程唤醒。可见，poll_wait的作用，只是为了让驱动程序能找到要唤醒的进程。即使不用poll_wait，我们的程序也有机会被唤醒：chedule_timeout(__timeout)，只是要休眠__time_out这段时间。

现在来总结一下poll机制：

1. poll > sys_poll > do_sys_poll > poll_initwait，poll_initwait函数注册一下回调函数__pollwait，它就是我们的驱动程序执行poll_wait时，真正被调用的函数。

2. 接下来执行file->f_op->poll，即我们驱动程序里自己实现的poll函数

   它会调用poll_wait把自己挂入某个队列，这个队列也是我们的驱动自己定义的；

   它还判断一下设备是否就绪。

3. 如果设备未就绪，do_sys_poll里会让进程休眠一定时间

4. 进程被唤醒的条件有2：一是上面说的“一定时间”到了，二是被驱动程序唤醒。驱动程序发现条件就绪时，就把“某个队列”上挂着的进程唤醒，这个队列，就是前面通过poll_wait把本进程挂过去的队列。

5. 如果驱动程序没有去唤醒进程，那么chedule_timeout(__timeou)超时后，会重复2、3动作，直到应用程序的poll调用传入的时间到达。

2、引入poll中断驱动程序实现

在file_operations中填充button_drv_poll函数，调用poll_wait函数，将当前进程挂入到button_waittq队列中，当按键按下触发中断服务函数唤醒button_waitp队列中poll中引发的休眠进程，返回POLLIN，应用程序有数据可读。

测试应用程序使用poll函数，等待3s，如果3s内有按键按下，poll函数返回有数据可读，调用read函数读取按键值。若3s时间内没有按键按下，poll函数超时返回，应用程序中打因time out...提示

static unsigned button_drv_poll(struct file *file, poll_table *wait)
{
    unsigned int mask = 0;
    poll_wait(file, &button_waitq, wait); // 不会立即休眠

    if (event_trig)
        mask |= POLLIN | POLLRDNORM;

    return mask;
}

完整驱动代码

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/irq.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/irq.h>
#include <asm/io.h>
#include <plat/gpio-fns.h>
#include <mach/gpio-nrs.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/wait.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/poll.h>

#define BUTTON_NUMS    4
#define IRQT_BOTHEDGE IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING

static int major;
static int event_trig = 0;

static unsigned char key_status;

static volatile unsigned long *gpfcon = NULL;
static volatile unsigned long *gpgcon = NULL;
static volatile unsigned long *gpfdat = NULL;
static volatile unsigned long *gpgdat = NULL;

static struct class *button_drv_class;
static struct class_device    *button_drv_class_dev;

static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(button_waitq);

struct button_desc
{
    int pin;
    int irq_type;
    unsigned long flags;
    char *name;
    int key_val;
};

static struct button_desc btn_desc[BUTTON_NUMS] = {
    {S3C2410_GPF(0),  IRQ_EINT0,  IRQT_BOTHEDGE, "S2", 1},
    {S3C2410_GPF(2),  IRQ_EINT2,  IRQT_BOTHEDGE, "S3", 2},
    {S3C2410_GPG(3),  IRQ_EINT11, IRQT_BOTHEDGE, "S4", 3},
    {S3C2410_GPG(11), IRQ_EINT19, IRQT_BOTHEDGE, "S5", 4},
};

static int button_drv_open(struct inode *inode, struct file *file);
static ssize_t button_drv_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos);
static ssize_t button_drv_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos);
static int button_drv_close(struct inode *inode, struct file *file);
static unsigned button_drv_poll(struct file *file, poll_table *wait);

struct file_operations button_drv_fileop = {
    .owner  =   THIS_MODULE,    /* 这是一个宏，推向编译模块时自动创建的__this_module变量 */
    .open   =   button_drv_open,
    .read   =   button_drv_read,
    .write  =   button_drv_write,
    .release =  button_drv_close,
    .poll = button_drv_poll,
};

static irqreturn_t button_irq_handle(int irq, void *dev_id)
{    
    struct button_desc *pdesc = NULL;
    unsigned char pin_val;
    
    pdesc = (struct button_desc *)dev_id;
    
    pin_val = gpio_get_value(pdesc->pin);    

    if(pin_val == 1)
    {
        key_status = pdesc->key_val | 0x80;
    }
    else
    {
        key_status = pdesc->key_val;
    }
    
    event_trig = 1;
    wake_up_interruptible(&button_waitq); 
    
    return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);
}

static int button_drv_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    int i;
    
    *gpfcon &= ~((0x3<<(0*2)) | (0x3<<(2*2)));
    *gpgcon &= ~((0x3<<(3*2)) | (0x3<<(11*2)));
    
    /* 注册中断处理函数 */
    for(i = 0; i < BUTTON_NUMS; i++)
        request_irq(btn_desc[i].irq_type, button_irq_handle, btn_desc[i].flags, btn_desc[i].name, &btn_desc[i]);
    
    return 0;
}

static ssize_t button_drv_read(struct file *file, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
    if(count != 1)
        return EINVAL;
    
    wait_event_interruptible(button_waitq, event_trig);
    
    if(copy_to_user(buf, &key_status, count))
        return EFAULT;
    
    event_trig = 0;
    return 0;
}

static ssize_t button_drv_write(struct file *file, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
{
    printk("button_drv_write
");
    
    return 0;
}

static int button_drv_close(struct inode *inode, struct file *file)
{
    int i;
    
    for(i = 0; i < BUTTON_NUMS; i++)
        free_irq(btn_desc[i].irq_type, &btn_desc[i]);
    
    return 0;
}

static unsigned button_drv_poll(struct file *file, poll_table *wait)
{
    unsigned int mask = 0;
    poll_wait(file, &button_waitq, wait); // 不会立即休眠

    if (event_trig)
        mask |= POLLIN | POLLRDNORM;

    return mask;
}
        
static int button_drv_init(void)
{
    major = register_chrdev(0, "button_light", &button_drv_fileop);
    
    button_drv_class = class_create(THIS_MODULE, "button_drv");
    //button_drv_class_dev = class_device_create(button_drv_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "button"); /* /dev/button */
    button_drv_class_dev = device_create(button_drv_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "button"); /* /dev/button */
    
    gpfcon = (volatile unsigned long *)ioremap(0x56000050, 16);
    gpgcon = (volatile unsigned long *)ioremap(0x56000060, 16);
    gpfdat = gpfcon + 1;
    gpgdat = gpgcon + 1;
    
    return 0;
}

static void button_drv_exit(void)
{
    unregister_chrdev(major, "button_drv");
    
    //class_device_unregister(button_drv_class_dev);
    device_unregister(button_drv_class_dev);
    class_destroy(button_drv_class);
    
    iounmap(gpfcon);
    iounmap(gpgcon);
}

module_init(button_drv_init);
module_exit(button_drv_exit);

MODULE_LICENSE("GPL");

完成测试程序代码

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


int main(int argc, char **argv)
{
    int fd, ret;
    unsigned char key_buf;
    struct pollfd fds;
    
    fd = open("/dev/button", O_RDWR);
    if(fd == -1)
    {
        printf("can't open...
");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    fds.fd = fd;
    fds.events = POLLIN;
    
    while(1)
    {
        ret = poll(&fds, 1, 3000);
        if(ret > 0)
        {
            ret = read(fd, &key_buf, 1);
            if(ret < 0)
            {
                printf("read err...
");
                continue;
            }
            /* 判断有按键按下，打印按键信息 */
            printf("key_val=0x%x
", key_buf);
        }
        else if(ret == 0)
        {
            printf("time out...
");
        }
        else if(ret == -1)
        {
            printf("error...
");
        }
        
    }

    exit(EXIT_SUCCESS);
}

测试效果