Linux裝置驅動中的阻塞與非阻塞I/O

阿新 • • 發佈：2019-01-24

阻塞和非阻塞I/O是裝置訪問的兩種不同模式，驅動程式可以靈活的支援使用者空間對裝置的這兩種訪問方式

本例子講述了這兩者的區別並實現I/O的等待佇列機制，並進行了使用者空間的驗證

基本概念：

1> 阻塞操作是指在執行裝置操作時，若不能獲得資源，則掛起程序直到滿足操作條件後再進行操作。被掛起的進程進入休眠，被從排程器移走，直到條件滿足。

2> 非阻塞操作在不能進行裝置操作時，並不掛起，它或者放棄，或者不停地查詢，直到可以進行操作。非阻塞應用程式通常使用select系統呼叫查詢是否可以對裝置進行無阻塞的訪問最終會引發裝置驅動中poll函式執行。

  1 /*
  2  * a globalfifo driver as example of char device drivers 
  3  * This example is to introduce poll, blocking and non-blocking access
  4  * 
  5  *The initial developer of the original code is Baohua Song
  6  *< 
[email protected]>. All Rights Reserved
  7  *
  8  * 1>只當FIFO 中有資料時（有程序把資料寫到這個 FIFO而且沒有被 讀程序 讀空）
  9  *   讀程序才能把資料讀出，讀出後資料 從 FIFO 中拿掉
 10  * 2>只有當FIFO 非滿時（即還有空間未被讀寫或滿後被讀程序讀出了資料）
 11  *   寫程序才能往裡面寫資料，
 12  * 這樣 讀喚醒寫 寫喚醒讀
 13  */
 14 
 15 #include<linux/module.h>
 16 #include<linux/types.h>
 17 #include<linux/fs.h>
 18 #include<linux/errno.h>
 19 #include<linux/mm.h>
 20 #include<linux/sched.h>
 21 #include<linux/init.h>
 22 #include<linux/cdev.h>
 23 #include<asm/io.h>
 24 #include<asm/system.h>
 25 #include<asm/uaccess.h>
 26 #include<linux/poll.h>
 27 
 28 #define GLOBALFIFO_SIZE  10            /*全域性fifo最大10位元組 不要太大 方便寫滿測試*/
 29 #define FIFO_CLEAR 0X1                  /*清0全域性記憶體的長度*/
 30 #define GLOBALFIFO_MAJOR 249            /*預設的globalfifo 的主裝置號*/
 31 
 32 static int globalfifo_major = GLOBALFIFO_MAJOR;
 33 
 34 /*globalfifo裝置結構體*/
 35 struct globalfifo_dev{
 36     struct cdev cdev;                   /*cdev結構體*/
 37     unsigned int current_len;           /*fifo有效資料長度*/
 38     unsigned char mem[GLOBALFIFO_SIZE];  /*全域性記憶體*/
 39     struct semaphore sem;               /*併發控制用的訊號量*/
 40     wait_queue_head_t r_wait;           /*阻塞讀用的等待佇列 核心雙向迴圈連結串列 都可以為頭*/
 41     wait_queue_head_t w_wait;           /*阻塞寫用的等待佇列頭*/
 42 };
 43 
 44 struct globalfifo_dev *globalfifo_devp; /*裝置結構體指標*/
 45 
 46 /*globalfifo讀函式*/
 47 static ssize_t globalfifo_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
 48 {
 49     int ret;
 50     struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data;
 51     DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);
 52 
 53     down(&dev->sem);                     /*獲得訊號量*/
 54     add_wait_queue(&dev->r_wait, &wait); /*加入讀等待佇列頭 到核心*/
 55 
 56     /*等待FIFO 非空*/
 57     if(dev->current_len == 0){
 58         if(filp->f_flags & O_NONBLOCK){   /*如果程序為 非阻塞開啟 裝置檔案*/
 59             ret = -EAGAIN;
 60             goto out;
 61         }
 62         __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); /*改變程序狀態為睡眠*/
 63         up(&dev->sem);                           /*釋放訊號量*/
 64 
 65         schedule();                              /*排程其他程序執行*/
 66         if(signal_pending(current)){
 67                                                 /*如果是因為訊號喚醒*/
 68             ret = -ERESTARTSYS;
 69             goto out2;
 70         }
 71         down(&dev->sem);
 72     }
 73 
 74     /*拷貝到使用者空間*/
 75     if(count > dev->current_len)
 76         count = dev->current_len;
 77     if(copy_to_user(buf, dev->mem, count)){
 78         ret = -EFAULT;
 79         goto out;
 80     }else{
 81         memcpy(dev->mem, dev->mem + count, dev->current_len - count);/*資料前移*/
 82         dev->current_len -= count; /*有效資料長度減少*/
 83         printk(KERN_INFO"read %d bytes(s),current_len:%d\n",count, dev->current_len);
 84 
 85         wake_up_interruptible(&dev->w_wait); /*喚醒寫等待佇列*/
 86         ret = count;
 87     }
 88 out:
 89     up(&dev->sem); /*釋放訊號量*/
 90 out2:
 91     remove_wait_queue(&dev->w_wait, &wait); /*從屬的等待佇列頭移除*/
 92     set_current_state(TASK_RUNNING);
 93     return ret;
 94 }
 95 
 96 /*globalfifo 寫操作*/
 97 static ssize_t globalfifo_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos)
 98 {
 99     struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data;
100     int ret;
101     DECLARE_WAITQUEUE(wait, current);    /*定義等待佇列*/
102 
103     down(&dev->sem);                     /*獲得訊號量*/
104     add_wait_queue(&dev->w_wait, &wait); /*進入寫等待佇列頭*/
105 
106     /*等待FIFO非滿*/
107     if(dev->current_len == GLOBALFIFO_SIZE){
108         if(filp->f_flags & O_NONBLOCK){   /*如果程序非阻塞開啟的檔案*/
109             ret = -EAGAIN;
110             goto out;
111         }
112 
113         __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); /*改變程序狀態為睡眠*/
114         up(&dev->sem);                     /*釋放訊號量*/
115 
116         schedule();                         /*排程其他程序執行*/
117         if(signal_pending(current)){
118                                             /*如果是因為訊號喚醒*/
119             ret = -ERESTARTSYS;
120             goto out2;
121         }
122         down(&dev->sem);                    /*獲得訊號量*/
123     }
124 
125     /*從使用者空間拷貝資料到核心空間*/
126     if(count > GLOBALFIFO_SIZE - dev->current_len){
127         /*如果要拷貝的資料大於 剩餘有效記憶體長度 
128          *則 只拷貝最大 能裝下的長度
129          */
130         count = GLOBALFIFO_SIZE - dev->current_len;
131     }
132     if(copy_from_user(dev->mem + dev->current_len, buf, count)){
133         ret = -EFAULT;
134         goto out;
135     }else {
136         dev->current_len += count;
137         printk(KERN_INFO"written %d bytes(s), current_len: %d\n",count, dev->current_len);
138 
139         wake_up_interruptible(&dev->r_wait); /*喚醒讀等待佇列*/
140         ret = count;
141     }
142     out:
143         up(&dev->sem); /*釋放訊號量*/
144     out2:
145         remove_wait_queue(&dev->w_wait, &wait); /*從附屬的等待佇列頭移除*/
146         set_current_state(TASK_RUNNING);
147         return ret;
148 }
149 
150 
151 /*ioctl 裝置控制函式*/
152 static int globalfifo_ioctl(struct inode *inodep,struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)
153 {
154     struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data;/*獲得裝置結構體指標*/
155 
156     switch(cmd){
157         case FIFO_CLEAR:
158             down(&dev->sem);                        /*獲得訊號量*/
159             dev->current_len = 0;
160             memset(dev->mem, 0, GLOBALFIFO_SIZE);
161             up(&dev->sem);                          /*釋放訊號量*/
162 
163             printk(KERN_INFO"globalfifo is set to zero\n");
164             break;
165 
166         default:
167             return -EINVAL;
168     }
169     return 0;
170 }
171 
172 /*在驅動中的增加輪詢操作*/
173 static unsigned int globalfifo_poll(struct file *filp, poll_table *wait)
174 {
175     unsigned int mask = 0;
176     struct globalfifo_dev *dev = filp->private_data;/*獲得裝置結構體指標*/
177 
178     down(&dev->sem);
179     poll_wait(filp, &dev->r_wait, wait);
180     poll_wait(filp, &dev->w_wait, wait);
181 
182     /*fifo非空*/
183     if(dev->current_len != 0){
184         mask |= POLLIN | POLLRDNORM; /*標示資料可以獲得*/
185     }
186 
187     /*fifo 非滿*/
188     if(dev->current_len != GLOBALFIFO_SIZE){
189         mask |= POLLOUT | POLLWRNORM ; /*標示資料可以寫入*/
190     }
191 
192     up(&dev->sem);
193     return mask; /*返回驅動是否可讀 或可寫的 狀態*/
194 }
195 
196 /*檔案開啟函式*/
197 int globalfifo_open(struct inode *inode, struct file *filp)
198 {
199     /*讓裝置結構體作為裝置的私有資訊*/
200     filp->private_data = globalfifo_devp;
201     return 0;
202 }
203 
204 /*檔案釋放函式*/
205 int globalfifo_release(struct inode *inode, struct file *filp)
206 {
207     return 0;
208 }
209 
210 /*檔案操作結構體*/
211 static const struct file_operations globalfifo_fops = {
212     .owner = THIS_MODULE,
213     .read = globalfifo_read,
214     .write = globalfifo_write,
215     .ioctl = globalfifo_ioctl,
216     .poll = globalfifo_poll,
217     .open = globalfifo_open,
218     .release = globalfifo_release,
219 };
220 
221 /*初始化並註冊cdev*/
222 static void globalfifo_setup_cdev(struct globalfifo_dev *dev, int index)
223 {
224     int err, devno = MKDEV(globalfifo_major, index);
225 
226     cdev_init(&dev->cdev, &globalfifo_fops);
227     dev->cdev.owner = THIS_MODULE;
228     err = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1);
229     if(err)
230         printk(KERN_NOTICE "Error %d adding LED %d", err, index);
231 }
232 
233 /*裝置驅動模組載入函式*/
234 int globalfifo_init(void)
235 {
236     int ret;
237     dev_t devno = MKDEV(globalfifo_major, 0);
238 
239     /*申請裝置號*/
240     if(globalfifo_major)
241         ret = register_chrdev_region(devno, 1, "globalfifo");
242     else{/*動態申請裝置號*/
243         ret = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "globalfifo");
244         globalfifo_major = MAJOR(devno);
245     }
246 
247     if(ret < 0)
248         return ret;
249 
250     /*動態申請裝置結構體的記憶體*/
251     globalfifo_devp = kmalloc(sizeof(struct globalfifo_dev), GFP_KERNEL);
252     if(!globalfifo_devp){
253         ret = - ENOMEM;
254 goto fail_malloc;
255     }
256 
257     memset(globalfifo_devp, 0, sizeof(struct globalfifo_dev));
258 
259     globalfifo_setup_cdev(globalfifo_devp, 0);
260 
261     init_MUTEX(&globalfifo_devp->sem);              /*初始化訊號量*/
262     init_waitqueue_head(&globalfifo_devp->r_wait);  /*初始化讀等待佇列頭*/
263     init_waitqueue_head(&globalfifo_devp->w_wait);  /*初始化寫等待佇列頭*/
264 
265     return 0;
266 
267 fail_malloc: unregister_chrdev_region(devno, 1);
268              return ret;
269 }
270 
271 void globalfifo_exit(void)
272 {
273     cdev_del(&globalfifo_devp->cdev); /*登出cdev*/
274     kfree(globalfifo_devp); /*釋放裝置結構體記憶體*/
275     unregister_chrdev_region(MKDEV(globalfifo_major, 0), 1); /*釋放裝置號*/
276 }
277 
278 MODULE_AUTHOR("Song Baohua");
279 MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");
280 
281 //module_param()
282 
283 module_init(globalfifo_init);
284 module_exit(globalfifo_exit);

阻塞測試：

驅動的輪詢操作（非阻塞）測試程式：

  1 /*測試程式：該程式用於監控 globalfifo 的可讀 可寫狀態（是否可以非阻塞讀寫）*/
  2 #include<stdio.h>
  3 #include<sys/select.h>
  4 #include<fcntl.h>
  5 
  6 #define FIFO_CLEAR 0X1
  7 #define BUFFER_LEN 20
  8 
  9 int main(void)
 10 {
 11     int fd, num;
 12     char rd_ch[BUFFER_LEN];
 13     fd_set rfds, wfds; /*讀寫檔案描述符集*/
 14 
 15     /*以非阻塞的方式開啟 裝置檔案*/
 16     fd = open("/dev/globalfifo", O_RDONLY | O_NONBLOCK);
 17     if(fd != -1){
 18         /*FIFO 清零*/
 19         //if(ioctl(fd, FIFO_CLEAR, 0) < 0)
 20         //  printf("ioctl command failed\n");
 21 
 22         while(1){
 23             FD_ZERO(&rfds); /*清除一個檔案描述符集*/
 24             FD_ZERO(&wfds);
 25             FD_SET(fd, &rfds); /*將一個檔案描述符 加入 檔案描述符集中*/
 26             FD_SET(fd, &wfds);
 27 
 28 /*最高檔案描述符+1 要監控的 讀    寫     異常  等待超時返回*/
 29             select(fd + 1, &rfds, &wfds, NULL, NULL); /*該函式最終呼叫poll*/
 30 
 31             /*資料可獲得*/
 32             if(FD_ISSET(fd, &rfds))
 33                 printf("Poll monitor:can be read\n");
 34 
 35             /*資料可寫入*/
 36             if(FD_ISSET(fd, &wfds))
 37                 printf("Poll monitor:can be written\n");
 38         }
 39     }else{
 40         printf("Device open failure\n");
 41     }
 42     return 0;
 43 }

每次實驗前都要先把之前後臺還在執行的測試殺死以避免對接下來實驗的干擾：

1>FIFO 為空只可寫

2>FIFO 為滿只可讀

3>FIFO 不滿不空可讀可寫

參考文獻：《LINUX裝置驅動程式》（第三版）

《裝置驅動開發詳解》（第二版）宋寶華

《UNIX環境高階程式設計》（第二版）

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1.基本概念所謂的阻塞，即核心在對檔案操作I/O系統呼叫時，如果條件不滿足(可能需要產生I/O)，則核心會將該程序掛起。非阻塞則是發現條件不滿足就會立即返回。此外需要注意的是非阻塞並不是輪詢，不然就和阻塞沒多大區別了，它只是呼叫不成功就直接返回了，不會在去看

關於Verilog HDL中阻塞與非阻塞賦值形象理解

關於Verilog 中阻塞與非阻塞賦值的幾點理解相信很多剛開始學習Verilog的童鞋對阻塞、非阻塞賦值理解得不是很明白，或者說是一頭霧水。確實，Verilog中阻塞、非阻塞一直就是一個難點，很多具備很久開發經驗的工程師仍是不得要領，在分析程式碼，看模擬時還

[Linux]阻塞與非阻塞（等待佇列、輪詢）機制

基本概念阻塞指執行裝置操作時，不能獲得資源則掛起程序，被掛起的程序進入休眠，從排程器的進行佇列中移走。非阻塞指在不能獲得資源的情況下，要麼放棄，要麼不停地查詢，直到可以操作。等待佇列（Wait Queue） Linux 中採用等待佇列來實

芯靈思Sinlinx A64開發板 Linux內核等待隊列poll ---阻塞與非阻塞

打開 inux 平臺讀取數據判斷函數方式動作 lock 開發平臺芯靈思Sinlinx A64內存： 1GB 存儲： 4GB開發板詳細參數 https://m.tb.cn/h.3wMaSKm開發板交流群 641395230 阻塞：阻塞調用是指調用結果返回之前

同步與異步、阻塞與非阻塞

阻塞與非阻塞就會結束檢查通信機制得到 node 分布好書 “阻塞”與"非阻塞"與"同步"與“異步"不能簡單的從字面理解，提供一個從分布式系統角度的回答。1.同步與異步同步和異步關註的是消息通信機制 (synchronous communication/ a

阻塞與非阻塞，同步與異步

通過部件一個 socket 沒有事件觸發 sel syn 就會在進行網絡編程時，我們常常見到同步(Sync)/異步(Async)，阻塞(Block)/非阻塞(Unblock)四種調用方式：同步：所謂同步，就是在發出一個功能調用時，在沒有得到結果之前，

同步與異步，阻塞與非阻塞

消息阻塞結果阻塞與非阻塞過程調用函數異步非阻塞完成異步的概念和同步相對。當一個同步調用發出後，調用者要一直等待返回消息（結果）通知後，才能進行後續的執行；當一個異步過程調用發出後，調用者不能立刻得到返回消息（結果）。實際處理這個調用的部件在完成後，通過狀態

Linux裝置驅動中的阻塞與非阻塞I/O

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