【i.MX6ULL】驅(qū)動(dòng)開發(fā)10—阻塞&非阻塞式按鍵檢測(cè)

上篇文章：介紹了linux中的五種I/O模型，本篇，就來使用阻塞式I/O和非用阻塞式I/O兩種方式進(jìn)行按鍵的讀取實(shí)驗(yàn)，并對(duì)比之前使用輸入捕獲和中斷法檢測(cè)的按鍵程序，查看CPU的使用率是否降低。

1 阻塞I/O方式的按鍵檢測(cè)

1.1 阻塞I/O之等待隊(duì)列

阻塞訪問最大的好處就是當(dāng)設(shè)備文件不可操作的時(shí)候進(jìn)程可以進(jìn)入休眠態(tài)，這樣可以將CPU資源讓出來。但是，當(dāng)設(shè)備文件可以操作的時(shí)候就必須喚醒進(jìn)程，一般在中斷函數(shù)里面完成喚醒工作。Linux 內(nèi)核提供了等待隊(duì)列(wait queue)來實(shí)現(xiàn)阻塞進(jìn)程的喚醒工作。

等待隊(duì)列頭使用結(jié)構(gòu)體wait_queue_head_t 表示：

struct __wait_queue_head { 
	spinlock_t       lock; 
	struct list_head task_list; 
}; 

typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t; 

使用 init_waitqueue_head 函數(shù)初始化等待隊(duì)列頭:

/**
 * q: 要初始化的等待隊(duì)列頭
 * return: 無
 */
void init_waitqueue_head(wait_queue_head_t *q) 

當(dāng)設(shè)備不可用的時(shí), 將這些進(jìn)程對(duì)應(yīng)的等待隊(duì)列項(xiàng)(wait_queue_t )添加到等待隊(duì)列里面:

struct __wait_queue { 
	unsigned int      flags; 
    void              *private; 
    wait_queue_func_t func; 
    struct list_head  task_list;
}; 

typedef struct __wait_queue wait_queue_t;

使用宏 DECLARE_WAITQUEUE 定義并初始化一個(gè)等待隊(duì)列項(xiàng):

DECLARE_WAITQUEUE(name, tsk)

當(dāng)設(shè)備不可訪問的時(shí)候就需要將進(jìn)程對(duì)應(yīng)的等待隊(duì)列項(xiàng)添加到前面創(chuàng)建的等待隊(duì)列頭中:

/**
 * q: 要加入的等待隊(duì)列頭
 * wait：要加入的等待隊(duì)列項(xiàng)
 * return: 無
 */
void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait) 

當(dāng)設(shè)備可以訪問以后再將進(jìn)程對(duì)應(yīng)的等待隊(duì)列項(xiàng)從等待隊(duì)列頭中刪除即可:

/**
 * q: 要?jiǎng)h除的等待隊(duì)列頭
 * wait：要?jiǎng)h除的等待隊(duì)列項(xiàng)
 * return: 無
 */
void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait) 

當(dāng)設(shè)備可以使用的時(shí)候就要喚醒進(jìn)入休眠態(tài)的進(jìn)程：

void wake_up(wait_queue_head_t *q) 
void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *q) 

1.2 阻塞I/O程序編寫

這里僅介紹與之前按鍵程序的主要區(qū)別。

1.2.1驅(qū)動(dòng)程序

阻塞讀取邏輯如下，首先要定義一個(gè)等待隊(duì)列，當(dāng)按鍵沒有按下時(shí)，就要阻塞等待了(將等待隊(duì)列添加到等待隊(duì)列頭)，然后進(jìn)行行一次任務(wù)切換，交出CPU的使用權(quán)。等待有按鍵按下時(shí)，會(huì)有信號(hào)喚醒該等待，并將按鍵值返回給應(yīng)用層的程序。

static ssize_t imx6uirq_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
    int ret = 0;
    unsigned char keyvalue = 0;
    unsigned char releasekey = 0;
    struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev *)filp->private_data;
    
    /* 定義一個(gè)等待隊(duì)列 <-------------------------- */
    DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);
    
    /* 沒有按鍵按下 <------------------------------ */
    if(atomic_read(&dev->releasekey) == 0)
    {
        /* 將等待隊(duì)列添加到等待隊(duì)列頭 <------------ */
        add_wait_queue(&dev->r_wait, &wait);
        
        /* 設(shè)置任務(wù)狀態(tài) <-------------------------- */
        __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE);
        
        /* 進(jìn)行一次任務(wù)切換 <---------------------- */
        schedule();
        
        /* 判斷是否為信號(hào)引起的喚醒 <-------------- */
        if(signal_pending(current))
        {
            ret = -ERESTARTSYS;
            goto wait_error;
        }
        
        /* 將當(dāng)前任務(wù)設(shè)置為運(yùn)行狀態(tài) <-------------- */
        __set_current_state(TASK_RUNNING);
        
        /* 將對(duì)應(yīng)的隊(duì)列項(xiàng)從等待隊(duì)列頭刪除 <-------- */
        remove_wait_queue(&dev->r_wait, &wait);
    }

    keyvalue = atomic_read(&dev->keyvalue);
    releasekey = atomic_read(&dev->releasekey);

    /* 有按鍵按下 */
    if (releasekey)
    {
        //printk("releasekey!\r\n");
        if (keyvalue & 0x80)
        {
            keyvalue &= ~0x80;
            ret = copy_to_user(buf, &keyvalue, sizeof(keyvalue));
        }
        else
        {
            goto data_error;
        }
        atomic_set(&dev->releasekey, 0); /* 按下標(biāo)志清零 */
    }
    else
    {
        goto data_error;
    }
    return 0;

wait_error:
    set_current_state(TASK_RUNNING);           /* 設(shè)置任務(wù)為運(yùn)行態(tài) */
    remove_wait_queue(&dev->r_wait, &wait);    /* 將等待隊(duì)列移除 */
    return ret;
    
data_error:
    return -EINVAL;
}

按鍵的定時(shí)器去抖邏輯中的，讀取到按鍵后，觸發(fā)喚醒，這里以其中的一個(gè)按鍵為例，其邏輯如下：

void timer1_function(unsigned long arg)
{
    unsigned char value;
    struct irq_keydesc *keydesc;
    struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev *)arg;

    keydesc = &dev->irqkeydesc[0];

    value = gpio_get_value(keydesc->gpio); /* 讀取IO值 */
    if(value == 1) /* 按下按鍵 */
    {
        printk("get key1: high\r\n");
        atomic_set(&dev->keyvalue, keydesc->value);
    }
    else /* 按鍵松開 */
    {
        printk("key1 release\r\n");
        atomic_set(&dev->keyvalue, 0x80 | keydesc->value);
        atomic_set(&dev->releasekey, 1); /* 標(biāo)記松開按鍵，即完成一次完整的按鍵過程 */            
    }
    
    /* 喚醒進(jìn)程 */
    if(atomic_read(&dev->releasekey))
    {
        wake_up_interruptible(&dev->r_wait);
    }
}

1.2.2 應(yīng)用程序

應(yīng)用程序不需要修改，還使用之前的輪詢讀取的方式，為了在測(cè)試時(shí)看出阻塞與非阻塞方式的區(qū)別，在read函數(shù)前后添加打印，如果程序運(yùn)行正常，會(huì)先打印read前一句的打印，直到有按鍵按下后，read函數(shù)才被接觸阻塞，read后一句的打印才會(huì)打印出。

/* 循環(huán)讀取按鍵值數(shù)據(jù)！ */
while(1)
{
    printf("[APP] read begin...\r\n");
    read(fd, &keyvalue, sizeof(keyvalue));
    printf("[APP] read end\r\n");
    if (keyvalue == KEY1VALUE)
    {
        printf("[APP] KEY1 Press, value = %#X\r\n", keyvalue);
    }
    else if (keyvalue == KEY2VALUE)
    {
        printf("[APP] KEY2 Press, value = %#X\r\n", keyvalue);
    }
}

1.2 實(shí)驗(yàn)

和之前一樣，使用Makefile編譯驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序，并復(fù)制到nfs根文件系統(tǒng)中。

開始測(cè)試，按如下圖，當(dāng)沒有按鍵按下時(shí)，應(yīng)用程序被阻塞：

按鍵程序在后臺(tái)運(yùn)行，此時(shí)使用top指令開查看CPU的使用率，可以發(fā)現(xiàn)阻塞式按鍵驅(qū)動(dòng)這種方式，CPU的暫用率幾乎為0，雖然按鍵應(yīng)用程序中仍實(shí)現(xiàn)循環(huán)讀取的方式，但因平時(shí)讀取不到按鍵值，按鍵應(yīng)用程序被阻塞住了，CPU的使用權(quán)被讓出，自然CPU的使用率就降下來了。

2 非阻塞I/O方式的按鍵檢測(cè)

按鍵應(yīng)用程序以非阻塞的方式讀取，按鍵驅(qū)動(dòng)程序也要以非阻塞的方式立即返回。應(yīng)用程序可以通過select、poll或epoll函數(shù)來 查詢?cè)O(shè)備是否可以操作，驅(qū)動(dòng)程序使用poll函數(shù)。

2.1 非阻塞I/O之select/poll

select函數(shù)原型：

/**
 * nfs: 所要監(jiān)視的這三類文件描述集合中，最大文件描述符加1
 * readfds: 用于監(jiān)視指定描述符集的讀變化
 * writefds: 用于監(jiān)視文件是否可以進(jìn)行寫操作
 * exceptfds: 用于監(jiān)視文件的異常
 * timeout: 超時(shí)時(shí)間
 * return: 0 超時(shí)發(fā)生, -1 發(fā)生錯(cuò)誤, 其他值 可以進(jìn)行操作的文件描述符個(gè)數(shù) 
 */
int select(int    nfds,  
           fd_set *readfds,  
           fd_set *writefds, 
           fd_set *exceptfds,  
           struct timeval *timeout) 

其中超時(shí)時(shí)間使用結(jié)構(gòu)體timeval表示：

struct timeval { 
   long tv_sec;  /* 秒   */ 
   long tv_usec; /* 微妙 */  
}; 

當(dāng)timeout為NULL的時(shí)候就表示無限等待。

poll函數(shù)原型：

/**
 * fds: 要監(jiān)視的文件描述符集合以及要監(jiān)視的事件,為一個(gè)數(shù)組
 * nfds: 監(jiān)視的文件描述符數(shù)量
 * timeout: 超時(shí)時(shí)間,單位為 ms
 * return: 0 超時(shí)發(fā)生, -1 發(fā)生錯(cuò)誤, 其他值 可以進(jìn)行操作的文件描述符個(gè)數(shù) 
 */
int poll(struct pollfd *fds,  
         nfds_t nfds,  
         nt     timeout) 

2.2 非阻塞I/O程序編寫

2.2.1 驅(qū)動(dòng)程序

poll函數(shù)處理部分：

unsigned int imx6uirq_poll(struct file *filp, struct poll_table_struct *wait)
{
    unsigned int mask = 0;
    struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev *)filp->private_data;

    /* 將等待隊(duì)列頭添加到poll_table中 */
    poll_wait(filp, &dev->r_wait, wait);
    
    /* 按鍵按下 */
    if(atomic_read(&dev->releasekey))
    {
        mask = POLLIN | POLLRDNORM;            /* 返回PLLIN */
    }
    return mask;
}

/* 設(shè)備操作函數(shù) */
static struct file_operations imx6uirq_fops = {
    .owner = THIS_MODULE,
    .open = imx6uirq_open,
    .read = imx6uirq_read,
    .poll = imx6uirq_poll,
};

read函數(shù)處理部分：

static ssize_t imx6uirq_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
    int ret = 0;
    unsigned char keyvalue = 0;
    unsigned char releasekey = 0;
    struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev *)filp->private_data;

    /* 非阻塞訪問 */
    if (filp->f_flags & O_NONBLOCK)
    {
        /* 沒有按鍵按下，返回-EAGAIN */
        if(atomic_read(&dev->releasekey) == 0)
        {
            return -EAGAIN;
        }
    }
    /* 阻塞訪問 */
    else
    {
        /* 加入等待隊(duì)列，等待被喚醒,也就是有按鍵按下 */
        ret = wait_event_interruptible(dev->r_wait, atomic_read(&dev->releasekey)); 
        if (ret)
        {
            goto wait_error;
        }
    }

    keyvalue = atomic_read(&dev->keyvalue);
    releasekey = atomic_read(&dev->releasekey);

    /* 有按鍵按下 */
    if (releasekey)
    {
        //printk("releasekey!\r\n");
        if (keyvalue & 0x80)
        {
            keyvalue &= ~0x80;
            ret = copy_to_user(buf, &keyvalue, sizeof(keyvalue));
        }
        else
        {
            goto data_error;
        }
        atomic_set(&dev->releasekey, 0); /* 按下標(biāo)志清零 */
    }
    else
    {
        goto data_error;
    }
    return 0;

wait_error:
    return ret;
data_error:
    return -EINVAL;
}

2.2.2 應(yīng)用程序

2.2.2.1 poll方式讀取

注意open函數(shù)的參數(shù)是O_NONBLOCK，即非阻塞訪問，并且為了在測(cè)試時(shí)看出阻塞讀取與非阻塞讀取的區(qū)別，在poll函數(shù)前后添加打印，如果程序正常運(yùn)行，poll函數(shù)則不會(huì)被阻塞，500ms超時(shí)未讀取到按鍵值后會(huì)再次循環(huán)讀取，實(shí)際效果就是可以看打一直有打印輸出。

    filename = argv[1];
    fd = open(filename, O_RDWR | O_NONBLOCK);    /* 非阻塞訪問 */
    if (fd < 0)
    {
        printf("[APP] Can't open file %s\r\n", filename);
        return -1;
    }

    /* 構(gòu)造結(jié)構(gòu)體 */
    fds.fd = fd;
    fds.events = POLLIN;
    while(1)
    {
        printf("[APP] poll begin... \r\n", data);
        ret = poll(&fds, 1, 500);
        printf("[APP] poll end \r\n", data);
        /* 數(shù)據(jù)有效 */
        if (ret > 0)
        {
            ret = read(fd, &data, sizeof(data));
            if(ret < 0)
            {
                /* 讀取錯(cuò)誤 */
            }
            else
            {
                if(data)
                {
                    printf("[APP] key value = %d \r\n", data);
                }
            }     
        }
        /* 超時(shí) */
        else if (ret == 0)
        {
            /* 用戶自定義超時(shí)處理 */
        }
        /* 錯(cuò)誤 */
        else
        {
            /* 用戶自定義錯(cuò)誤處理 */
        }
    }

2.2.2.2 select方式讀取

select方式讀取與poll方式類似，都是非阻塞讀取，程序類似：

while(1)
{
    FD_ZERO(&readfds);
    FD_SET(fd, &readfds);
    /* 構(gòu)造超時(shí)時(shí)間 */
    timeout.tv_sec = 0;
    timeout.tv_usec = 500000; /* 500ms */
    ret = select(fd + 1, &readfds, NULL, NULL, &timeout);
    switch (ret)
    {
            /* 超時(shí) */
        case 0:
            /* 用戶自定義超時(shí)處理 */
            break;
            /* 錯(cuò)誤 */
        case -1:
            /* 用戶自定義錯(cuò)誤處理 */
            break;
            /* 可以讀取數(shù)據(jù) */
        default:
            if(FD_ISSET(fd, &readfds))
            {
                ret = read(fd, &data, sizeof(data));
                if (ret < 0)
                {
                    /* 讀取錯(cuò)誤 */
                }
                else
                {
                    if (data)
                    {
                        printf("key value=%d\r\n", data);
                    }
                }
            }
            break;
    }
}

2.3 實(shí)驗(yàn)

2.3.1 poll方式讀取

和之前一樣，使用Makefile編譯驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序，并復(fù)制到nfs根文件系統(tǒng)中。

開始測(cè)試，按如下圖，當(dāng)沒有按鍵按下時(shí)，應(yīng)用程序也沒有被阻塞，從不斷的打印就可以看出應(yīng)用程序在循環(huán)運(yùn)行。當(dāng)有按鍵按下時(shí)，能夠讀取到對(duì)應(yīng)的按鍵值。

按鍵程序在后臺(tái)運(yùn)行，此時(shí)使用top指令開查看CPU的使用率，可以發(fā)現(xiàn)非阻塞式按鍵驅(qū)動(dòng)這種方式，CPU的暫用率也幾乎為0，雖然按鍵應(yīng)用程序中仍實(shí)現(xiàn)循環(huán)讀取的方式，但poll函數(shù)有500ms的超時(shí)設(shè)置，在超時(shí)等待的時(shí)間里，CPU的使用權(quán)也是被讓出，所以CPU的使用率也降下來了。

2.3.2 select方式讀取

select方式讀取與poll方式讀取的效果一樣。

使用ps指令查看poll方式的按鍵進(jìn)行號(hào)，使用kill殺帶該進(jìn)程，再運(yùn)行select方式的按鍵應(yīng)用程序：

select非阻塞讀取的方式，CPU的暫用率也幾乎為0：

3 總結(jié)

本篇使用兩種I/O模型進(jìn)行按鍵讀取：阻塞式I/O和非用阻塞式I/O，通過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)，對(duì)比兩者方式的實(shí)際運(yùn)行效果與主要區(qū)別，并查看CPU的占用率，兩種方式的CPU使用率都幾乎為0。