Linux 信號量實現(xiàn)互斥點燈

公眾號：嵌入式攻城獅（ID：andyxi_linux）

作者：安迪西

1. 信號量介紹

信號量常用于控制對共享資源的訪問，有計數(shù)型信號量和二值信號量之分。初始化時信號量值大于1的，就是計數(shù)型信號量，計數(shù)型信號量不能用于互斥訪問，它允許多個線程同時訪問共享資源。若要互斥訪問共享資源，信號量的值就不能大于1，此時就是二值信號量

Linux內(nèi)核使用semaphore結(jié)構(gòu)體表示信號量，結(jié)構(gòu)體內(nèi)容如下所示：

struct semaphore {
    raw_spinlock_t lock;
    unsigned int count;
    struct list_head wait_list;
};

信號量操作相關(guān)API函數(shù)如下圖示：

2. 信號量實例

本實例中使用信號量來實現(xiàn)對LED設(shè)備的互斥訪問，即一次只允許一個應(yīng)用程序使用LED燈，代碼是在pinctrl與gpio子系統(tǒng)下的字符設(shè)備驅(qū)動框架一文的基礎(chǔ)上完成的

信號量可以導(dǎo)致休眠，因此信號量保護的臨界區(qū)沒有運行時間限制，可以在驅(qū)動的open函數(shù)申請信號量，在release函數(shù)中釋放信號量

2.1 修改設(shè)備樹文件

設(shè)備樹文件修改與pinctrl與gpio子系統(tǒng)下的字符設(shè)備驅(qū)動框架文中的修改方法一樣，不需要做任何修改

2.2 編寫驅(qū)動程序

拷貝pinctrl與gpio子系統(tǒng)下的字符設(shè)備驅(qū)動框架文中的gpioled.c驅(qū)動文件，并重命名為sema.c，對部分代碼進行修改，其余保持不變

? 在設(shè)備結(jié)構(gòu)體中，添加信號量

struct gpioled_dev{
    dev_t devid;               //設(shè)備號
    struct cdev cdev;          //cdev字符設(shè)備
    struct class *class;       //類
    struct device *device;     //設(shè)備
    int major;                 //主設(shè)備號
    int minor;                 //次設(shè)備號
    struct device_node *nd;    //設(shè)備節(jié)點
    int led_gpio;              //所使用的gpio編號
    struct semaphore sem;      //信號量
};

struct gpioled_dev gpioled;    //定義led設(shè)備

? 打開設(shè)備時，獲取信號量

static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp){
    filp->private_data = &gpioled; //設(shè)置私有數(shù)據(jù)

    if(down_interruptible(&gpioled.sem)){
        return -ERESTARTSYS;     //進入休眠后可被信號打斷
    } 
#if 0
    down(&gpioled.sem);          //休眠后不能被信號打斷
#endif
    return 0;
}

? 關(guān)閉設(shè)備時，釋放信號量

static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp){
    struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
    up(&dev->sem);     //釋放信號量，信號量值加1
    return 0;
}

? 驅(qū)動入口函數(shù)中，對信號量進行初始化

static int __init led_init(void){
    int ret = 0;
    /* 初始化信號量 */
    sema_init(&gpioled.sem, 1);  
    /* 設(shè)置 LED 所使用的 GPIO */
    /* 1、獲取設(shè)備節(jié)點：gpioled */
    gpioled.nd = of_find_node_by_path("/gpioled");
    ......
    ......
}

2.3 編寫測試程序

拷貝pinctrl與gpio子系統(tǒng)下的字符設(shè)備驅(qū)動框架文中的gpioledApp.c程序，并重命名為semaApp.c，添加模擬占用LED的代碼，使測試程序在獲取LED驅(qū)動使用權(quán)后會持續(xù)一段時間，添加如下代碼

while(1){
    sleep(5);
    cnt++;
    printf("App running times: %drn",cnt);
    if(cnt >= 5)
        break;
}

2.4 編譯測試

? 編譯驅(qū)動程序：當前目錄下創(chuàng)建Makefile文件，并make命令編譯

KERNELDIR := /home/andyxi/linux/kernel/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_andyxi
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := semaphore.o

build: kernel_modules

kernel_modules:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

? 編譯測試程序：無需內(nèi)核參與，直接編譯即可

arm-linux-gnueabihf-gcc semaApp.c -o semaApp

? 運行測試：啟動開發(fā)板后，加載驅(qū)動模塊，操作LED燈后，相應(yīng)時間內(nèi)再次操作LED時，第二個應(yīng)用程序會進入休眠，等前面的應(yīng)用程序運行完后，第二個應(yīng)用程序會接著運行

depmod                       #第一次加載驅(qū)動的時候需要運行此命令
modprobe semaphore.ko        #加載驅(qū)動
# 打開LED后，每隔5秒會輸出一行App running times
./semaApp /dev/gpioled 1&    # &表示在后臺運行APP

#在LED被占用期間，再次操作LED，會因為獲取信號量失敗而進入休眠狀態(tài)
#等前一條命令運行完并釋放信號量后才能獲取LED使用權(quán)
./semaApp /dev/gpioled 0