在上一章中我们学习了 Linux 下的并发与竞争，并且学习了四种常用的处理并发和竞争的 机制：原子操作、自旋锁、信号量和互斥体。本章我们就通过四个实验来学习如何在驱动中使 用这四种机制。
1：原子操作实验
本例程我们在第四十五章的 gpioled.c 文件基础上完成。在本节使用中我们使用原子操作来 实现对 LED 这个设备的互斥访问，也就是一次只允许一个应用程序可以使用 LED 灯。
1.1：实验程序编写
1.1.1：修改设备树文件（之前已经修改过，这里设备树文件可以不用再修改）
在 iomuxc 节点的 imx6ul-evk 子节点下创建一个名为“pinctrl_led”的子节点，节点 内容如下所示：
pinctrl_led: ledgrp {fsl,pins = <MX6UL_PAD_GPIO1_IO03__GPIO1_IO03 0x10B0 /* LED0 */>;};添加 LED 设备节点
在根节点“/”下创建 LED 灯节点，节点名为“gpioled”，节点内容如下：
gpioled {
#address-cells = <1>;
#size-cells = <1>;
compatible = "atkalpha-gpioled";
pinctrl-names = "default";
pinctrl-0 = <&pinctrl_led>;
led-gpio = <&gpio1 3 GPIO_ACTIVE_LOW>;
status = "okay";
};1.1.2：LED 驱动修改
本节实验在第四十五章实验驱动文件 gpioled.c 的基础上修改而来。新建名为“7_atomic” 的文件夹，然后在 7_atomic 文件夹里面创建 vscode 工程，工作区命名为“atomic”。将 5_gpioled 实验中的 gpioled.c 复制到 7_atomic 文件夹中，并且重命名为 atomic.c。本节实验重点就是使用 atomic 来实现一次只能允许一个应用访问 LED，所以我们只需要在 atomic.c 文件源码的基础上 加上添加 atomic 相关代码即可，完成以后的 atomic.c 文件内容如下所示：
1.1.2.1：头文件添加
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>1.1.2.2：设备名、设备数量及宏定义
#define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
#define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
#define LEDOFF 0 /* 关灯 */
#define LEDON 1 /* 开灯 */
1.1.2.3： gpioled设备结构体
原子变量 lock，用来实现一次只能允许一个应用访问 LED 灯，led_init 驱动入口 函数会将 lock 的值设置为 1。
struct gpioled_dev{dev_t devid; /* 设备号 */struct cdev cdev; /* cdev */struct class *class; /* 类 */struct device *device; /* 设备 */int major; /* 主设备号 */int minor; /* 次设备号 */struct device_node *nd; /* 设备节点 */int led_gpio; /* led所使用的GPIO编号 */atomic_t lock; /* 原子变量 */
};struct gpioled_dev gpioled; /* led设备 */1.1.2.4：设备操作四件套
打开设备函数
每次调用 open 函数打开驱动设备的时候先申请 lock，如果申请成功的话就表 示LED灯还没有被其他的应用使用，如果申请失败就表示LED灯正在被其他的应用程序使用。 每次打开驱动设备的时候先使用 atomic_dec_and_test 函数将 lock 减 1，如果 atomic_dec_and_test 函数返回值为真就表示 lock 当前值为 0，说明设备可以使用。如果 atomic_dec_and_test 函数返 回值为假，就表示 lock 当前值为负数(lock 值默认是 1)，lock 值为负数的可能性只有一个，那就 是其他设备正在使用 LED。其他设备正在使用 LED 灯，那么就只能退出了，在退出之前调用 函数 atomic_inc 将 lock 加 1，因为此时 lock 的值被减成了负数，必须要对其加 1，将 lock 的值 变为 0。
/** @description : 打开设备* @param - inode : 传递给驱动的inode* @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量* 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。* @return : 0 成功;其他 失败*/
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{/* 通过判断原子变量的值来检查LED有没有被别的应用使用 */if (!atomic_dec_and_test(&gpioled.lock)) {atomic_inc(&gpioled.lock); /* 小于0的话就加1,使其原子变量等于0 */return -EBUSY; /* LED被使用，返回忙 */}filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 */return 0;
}读取设备函数
/** @description : 从设备读取数据 * @param - filp : 要打开的设备文件(文件描述符)* @param - buf : 返回给用户空间的数据缓冲区* @param - cnt : 要读取的数据长度* @param - offt : 相对于文件首地址的偏移* @return : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败*/
static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{return 0;
}
写入设备函数
/** @description : 向设备写数据 * @param - filp : 设备文件，表示打开的文件描述符* @param - buf : 要写给设备写入的数据* @param - cnt : 要写入的数据长度* @param - offt : 相对于文件首地址的偏移* @return : 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败*/
static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{int retvalue;unsigned char databuf[1];unsigned char ledstat;struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);if(retvalue < 0) {printk("kernel write failed!\r\n");return -EFAULT;}ledstat = databuf[0]; /* 获取状态值 */if(ledstat == LEDON) { gpio_set_value(dev->led_gpio, 0); /* 打开LED灯 */} else if(ledstat == LEDOFF) {gpio_set_value(dev->led_gpio, 1); /* 关闭LED灯 */}return 0;
}关闭设备函数
LED 灯使用完毕，应用程序调用 close 函数关闭的驱动文件，led_release 函数执 行，调用 atomic_inc 释放 lcok，也就是将 lock 加 1。
/** @description : 关闭/释放设备* @param - filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)* @return : 0 成功;其他 失败*/
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;/* 关闭驱动文件的时候释放原子变量 */atomic_inc(&dev->lock);return 0;
}1.1.2.5：设备操作函数结构体
/* 设备操作函数 */
static struct file_operations gpioled_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = led_open,.read = led_read,.write = led_write,.release = led_release,
};
1.1.2.6：设备注册注销两件套，入口及出口函数
驱动入口函数
初始化原子变量 lock，初始值设置为 1，这样每次就只允许一个应用使用 LED 灯
/** @description : 驱动出口函数* @param : 无* @return : 无*/
static int __init led_init(void)
{int ret = 0;/* 初始化原子变量 */atomic_set(&gpioled.lock, 1); /* 原子变量初始值为1 *//* 设置LED所使用的GPIO *//* 1、获取设备节点：gpioled */gpioled.nd = of_find_node_by_path("/gpioled");if(gpioled.nd == NULL) {printk("gpioled node not find!\r\n");return -EINVAL;} else {printk("gpioled node find!\r\n");}/* 2、 获取设备树中的gpio属性，得到LED所使用的LED编号 */gpioled.led_gpio = of_get_named_gpio(gpioled.nd, "led-gpio", 0);if(gpioled.led_gpio < 0) {printk("can't get led-gpio");return -EINVAL;}printk("led-gpio num = %d\r\n", gpioled.led_gpio);/* 3、设置GPIO1_IO03为输出，并且输出高电平，默认关闭LED灯 */ret = gpio_direction_output(gpioled.led_gpio, 1);if(ret < 0) {printk("can't set gpio!\r\n");}/* 注册字符设备驱动 *//* 1、创建设备号 */if (gpioled.major) { /* 定义了设备号 */gpioled.devid = MKDEV(gpioled.major, 0);register_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME);} else { /* 没有定义设备号 */alloc_chrdev_region(&gpioled.devid, 0, GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME); /* 申请设备号 */gpioled.major = MAJOR(gpioled.devid); /* 获取分配号的主设备号 */gpioled.minor = MINOR(gpioled.devid); /* 获取分配号的次设备号 */}printk("gpioled major=%d,minor=%d\r\n",gpioled.major, gpioled.minor); /* 2、初始化cdev */gpioled.cdev.owner = THIS_MODULE;cdev_init(&gpioled.cdev, &gpioled_fops);/* 3、添加一个cdev */cdev_add(&gpioled.cdev, gpioled.devid, GPIOLED_CNT);/* 4、创建类 */gpioled.class = class_create(THIS_MODULE, GPIOLED_NAME);if (IS_ERR(gpioled.class)) {return PTR_ERR(gpioled.class);}/* 5、创建设备 */gpioled.device = device_create(gpioled.class, NULL, gpioled.devid, NULL, GPIOLED_NAME);if (IS_ERR(gpioled.device)) {return PTR_ERR(gpioled.device);}return 0;
}驱动出口函数
/** @description : 驱动出口函数* @param : 无* @return : 无*/
static void __exit led_exit(void)
{/* 注销字符设备驱动 */cdev_del(&gpioled.cdev);/* 删除cdev */unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT); /* 注销设备号 */device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid);class_destroy(gpioled.class);
}
1.1.2.7：驱动入口出口函数调用
module_init(led_init);
module_exit(led_exit);1.1.2.8：许可证及作者
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");1.1.3：编写测试 APP
1.1.3.1：头文件添加
#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"1.1.3.2:宏定义
#define LEDOFF 0
#define LEDON 11.1.3.3：main函数
atomicApp.c 中的内容就是在第四十五章的 ledAPP.c 的基础上修改而来的，重点是加入了 第 63~68 行的模拟占用 25 秒 LED 的代码。测试 APP 在获取到 LED 灯驱动的使用权以后会使 用 25S，在使用的这段时间如果有其他的应用也去获取 LED 灯使用权的话肯定会失败！
/** @description : main主程序* @param - argc : argv数组元素个数* @param - argv : 具体参数* @return : 0 成功;其他 失败*/
int main(int argc, char *argv[])
{int fd, retvalue;char *filename;unsigned char cnt = 0;unsigned char databuf[1];if(argc != 3){printf("Error Usage!\r\n");return -1;}filename = argv[1];/* 打开beep驱动 */fd = open(filename, O_RDWR);if(fd < 0){printf("file %s open failed!\r\n", argv[1]);return -1;}databuf[0] = atoi(argv[2]); /* 要执行的操作：打开或关闭 *//* 向/dev/gpioled文件写入数据 */retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf));if(retvalue < 0){printf("LED Control Failed!\r\n");close(fd);return -1;}/* 模拟占用25S LED */while(1) {sleep(5);cnt++;printf("App running times:%d\r\n", cnt);if(cnt >= 5) break;}printf("App running finished!");retvalue = close(fd); /* 关闭文件 */if(retvalue < 0){printf("file %s close failed!\r\n", argv[1]);return -1;}return 0;
}
1.1.4：Make file文件编写
KERNELDIR :=/home/zhulinux/linux/alientek_linux/linuxCURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := atomic.obuild: kernel_moduleskernel_modules:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean1.1.5：编译测试 APP
在名为Compiletest.sh的shell脚本内 ，将fun改变为 "atomic"即可，运行shell脚本
#!/bin/bash
#把dts编译的dtb文件拷贝到 tftpboot目录下
cp -r ~/linux/alientek_linux/linux/arch/arm/boot/dts/imx6ull_alientek_emmc.dtb ~/linux/tftpboot/ -ffun="atomic"funko="${fun}.ko"
funoApp="${fun}App"
funcApp="${fun}App.c"if [ -f "./$funoApp" ]; thenecho "文件存在，正在删除..."rm "./$funoApp"echo "文件已删除"
elseecho "文件不存在，不执行删除操作。"
fiarm-linux-gnueabihf-gcc $funcApp -o $funoApp
sudo cp $funko $funoApp ~/linux/nfs/rootfs/lib/modules/4.1.15/ -fmake
./Compiletest.sh
1.1.6：运行测试
重启开发板，进入到目录 lib/modules/4.1.15 中，输入如下命令加载 atomic.ko 驱动模块：
第一次modprobe安装驱动都要depmod一下
depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe atomic.ko //加载驱动 
驱动加载成功以后就可以使用 atomicApp 软件来测试驱动是否工作正常，输入如下命令以 后台运行模式打开 LED 灯，“&”表示在后台运行 atomicApp 这个软件：
/atomicApp /dev/atomic 1& //打开 LED 灯输入上述命令以后观察开发板上的红色 LED 灯是否点亮，然后每隔 5 秒都会输出一行“App running times ”，如图 48.1.2.1 所示：
从图 48.1.2.1 可以看出，atomicApp 运行正常，输出了“App running times:1”和“App running times:2”，这就是模拟 25S 占用，说明 atomicApp 这个软件正在使用 LED 灯。此时再输入如下 命令关闭 LED 灯：
./atomicApp /dev/atomic 0 //关闭 LED 灯 
从图 48.1.2.2 可以看出，打开/dev/atomic 失败！原因是在图 48.1.2.1 中运行的 atomicAPP 软件正在占用/dev/gpioled，如果再次运行 atomicApp 软件去操作/dev/atomic 肯定会失败。必须 等待图48.1.2.1中的atomicApp运行结束，也就是25S结束以后其他软件才能去操作/dev/atomic 。 这个就是采用原子变量实现一次只能有一个应用程序访问 LED 灯。 如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：
rmmod atomic.ko
2:自旋锁实验
上一节我们使用原子变量实现了一次只能有一个应用程序访问 LED 灯，本节我们使用自旋 锁来实现此功能。在使用自旋锁之前，先回顾一下自旋锁的使用注意事项：
①、自旋锁保护的临界区要尽可能的短，因此在 open 函数中申请自旋锁，然后在 release 函 数中释放自旋锁的方法就不可取。我们可以使用一个变量来表示设备的使用情况，如果设备被 使用了那么变量就加一，设备被释放以后变量就减 1，我们只需要使用自旋锁保护这个变量即 可。
②、考虑驱动的兼容性，合理的选择 API 函数。 综上所述，在本节例程中，我们通过定义一个变量 dev_stats 表示设备的使用情况，dev_stats 为 0 的时候表示设备没有被使用，dev_stats 大于 0 的时候表示设备被使用。驱动 open 函数中先 判断 dev_stats 是否为 0，也就是判断设备是否可用，如果为 0 的话就使用设备，并且将 dev_stats 加 1，表示设备被使用了。使用完以后在 release 函数中将 dev_stats 减 1，表示设备没有被使用 了。因此真正实现设备互斥访问的是变量 dev_stats，但是我们要使用自旋锁对 dev_stats 来做保 护。
2.1:实验程序编写
2.1.1:修改设备树文件
本章实验是在上一节实验的基础上完成的，同样不需要对设备树做任何的修改。
2.1.2:LED 驱动修改
本节实验在第上一节实验驱动文件 atomic.c 的基础上修改而来。新建名为“8_spinlock”的 文件夹，然后在 8_spinlock 文件夹里面创建 vscode 工程，工作区命名为“spinlock”。将 7_atomic 实验中的 atomic.c 复制到 8_spinlock 文件夹中，并且重命名为 spinlock.c。将原来使用 atomic 的 地方换为 spinlock 即可，其他代码不需要修改，完成以后的 spinlock.c 文件内容如下所示(有省 略)：
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>
/***************************************************************
Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
文件名 : spinlock.c
作者 : 左忠凯
版本 : V1.0
描述 : 自旋锁实验，使用自旋锁来实现对实现设备的互斥访问
其他 : 无
论坛 : www.openedv.com
日志 : 初版V1.0 2019/7/18 左忠凯创建
***************************************************************/
#define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
#define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
#define LEDOFF 0 /* 关灯 */
#define LEDON 1 /* 开灯 *//* gpioled设备结构体 */
struct gpioled_dev{dev_t devid; /* 设备号 */struct cdev cdev; /* cdev */struct class *class; /* 类 */struct device *device; /* 设备 */int major; /* 主设备号 */int minor; /* 次设备号 */struct device_node *nd; /* 设备节点 */int led_gpio; /* led所使用的GPIO编号 */int dev_stats; /* 设备使用状态，0，设备未使用;>0,设备已经被使用 */spinlock_t lock; /* 自旋锁 */
};struct gpioled_dev gpioled; /* led设备 *//** @description : 打开设备* @param - inode : 传递给驱动的inode* @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量* 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。* @return : 0 成功;其他 失败*/
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{unsigned long flags;filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 */spin_lock_irqsave(&gpioled.lock, flags); /* 上锁 */if (gpioled.dev_stats) { /* 如果设备被使用了 */spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags);/* 解锁 */return -EBUSY;}gpioled.dev_stats++; /* 如果设备没有打开，那么就标记已经打开了 */spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags);/* 解锁 */return 0;
}/** @description : 从设备读取数据 * @param - filp : 要打开的设备文件(文件描述符)* @param - buf : 返回给用户空间的数据缓冲区* @param - cnt : 要读取的数据长度* @param - offt : 相对于文件首地址的偏移* @return : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败*/
static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{return 0;
}/** @description : 向设备写数据 * @param - filp : 设备文件，表示打开的文件描述符* @param - buf : 要写给设备写入的数据* @param - cnt : 要写入的数据长度* @param - offt : 相对于文件首地址的偏移* @return : 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败*/
static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{int retvalue;unsigned char databuf[1];unsigned char ledstat;struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);if(retvalue < 0) {printk("kernel write failed!\r\n");return -EFAULT;}ledstat = databuf[0]; /* 获取状态值 */if(ledstat == LEDON) { gpio_set_value(dev->led_gpio, 0); /* 打开LED灯 */} else if(ledstat == LEDOFF) {gpio_set_value(dev->led_gpio, 1); /* 关闭LED灯 */}return 0;
}/** @description : 关闭/释放设备* @param - filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)* @return : 0 成功;其他 失败*/
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{unsigned long flags;struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;/* 关闭驱动文件的时候将dev_stats减1 */spin_lock_irqsave(&dev->lock, flags); /* 上锁 */if (dev->dev_stats) {dev->dev_stats--;}spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags);/* 解锁 */return 0;
}/* 设备操作函数 */
static struct file_operations gpioled_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = led_open,.read = led_read,.write = led_write,.release = led_release,
};/** @description : 驱动入口函数* @param : 无* @return : 无*/
static int __init led_init(void)
{int ret = 0;/* 初始化自旋锁 */spin_lock_init(&gpioled.lock);/* 设置LED所使用的GPIO *//* 1、获取设备节点：gpioled */gpioled.nd = of_find_node_by_path("/gpioled");if(gpioled.nd == NULL) {printk("gpioled node not find!\r\n");return -EINVAL;} else {printk("gpioled node find!\r\n");}/* 2、 获取设备树中的gpio属性，得到LED所使用的LED编号 */gpioled.led_gpio = of_get_named_gpio(gpioled.nd, "led-gpio", 0);if(gpioled.led_gpio < 0) {printk("can't get led-gpio");return -EINVAL;}printk("led-gpio num = %d\r\n", gpioled.led_gpio);/* 3、设置GPIO1_IO03为输出，并且输出高电平，默认关闭LED灯 */ret = gpio_direction_output(gpioled.led_gpio, 1);if(ret < 0) {printk("can't set gpio!\r\n");}/* 注册字符设备驱动 *//* 1、创建设备号 */if (gpioled.major) { /* 定义了设备号 */gpioled.devid = MKDEV(gpioled.major, 0);register_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME);} else { /* 没有定义设备号 */alloc_chrdev_region(&gpioled.devid, 0, GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME); /* 申请设备号 */gpioled.major = MAJOR(gpioled.devid); /* 获取分配号的主设备号 */gpioled.minor = MINOR(gpioled.devid); /* 获取分配号的次设备号 */}printk("gpioled major=%d,minor=%d\r\n",gpioled.major, gpioled.minor); /* 2、初始化cdev */gpioled.cdev.owner = THIS_MODULE;cdev_init(&gpioled.cdev, &gpioled_fops);/* 3、添加一个cdev */cdev_add(&gpioled.cdev, gpioled.devid, GPIOLED_CNT);/* 4、创建类 */gpioled.class = class_create(THIS_MODULE, GPIOLED_NAME);if (IS_ERR(gpioled.class)) {return PTR_ERR(gpioled.class);}/* 5、创建设备 */gpioled.device = device_create(gpioled.class, NULL, gpioled.devid, NULL, GPIOLED_NAME);if (IS_ERR(gpioled.device)) {return PTR_ERR(gpioled.device);}return 0;
}/** @description : 驱动出口函数* @param : 无* @return : 无*/
static void __exit led_exit(void)
{/* 注销字符设备驱动 */cdev_del(&gpioled.cdev);/* 删除cdev */unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT); /* 注销设备号 */device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid);class_destroy(gpioled.class);
}module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");
第 43 行，dev_stats 表示设备状态，如果为 0 的话表示设备还没有被使用，如果大于 0 的 话就表示设备已经被使用了。
第 44 行，定义自旋锁变量 lock。
第 61~67 行，使用自旋锁实现对设备的互斥访问，
第 61 行调用 spin_lock_irqsave 函数获 取锁，为了考虑到驱动兼容性，这里并没有使用 spin_lock 函数来获取锁。
第 62 行判断 dev_stats 是否大于 0，如果是的话表示设备已经被使用了，那么就调用 spin_unlock_irqrestore 函数释放锁(我的理解就是它已经被使用上锁了，那我这边新的任务上锁就会导致轮询等待，那我直接把上的锁解锁再返回一个值表示现在真被使用，避免了死等。并且上锁和解锁是相当于临界区的，目的就是保护它俩中间执行的代码不会被别的任务调用)，并且返回-EBUSY。如果设备没有被使用的话就在第 66 行将 dev_stats 加 1，表 示设备要被使用了，然后调用 spin_unlock_irqrestore 函数释放锁。自旋锁的工作就是保护 dev_stats 变量，真正实现对设备互斥访问的是 dev_stats。 第 126~131 行，在 release 函数中将 dev_stats 减 1，表示设备被释放了，可以被其他的应用 程序使用。将 dev_stats 减 1 的时候需要自旋锁对其进行保护。 第 155 行，在驱动入口函数 led_init 中调用 spin_lock_init 函数初始化自旋锁。
2.1.4：Makefile文件编写
KERNELDIR :=/home/zhulinux/linux/alientek_linux/linuxCURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := spinlock.obuild: kernel_moduleskernel_modules:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean2.1.5：编写测试 APP
测试 APP 使用 48.1.1 小节中的 atomicApp.c 即可，将 7_atomic 中的 atomicApp.c 文件到本 例程中，并将 atomicApp.c 重命名为 spinlockApp.c 即可。
在名为Compiletest.sh的shell脚本内 ，将fun改变为 "atomic"即可，运行shell脚本
#!/bin/bash
#把dts编译的dtb文件拷贝到 tftpboot目录下
cp -r ~/linux/alientek_linux/linux/arch/arm/boot/dts/imx6ull_alientek_emmc.dtb ~/linux/tftpboot/ -ffun="spinlock"funko="${fun}.ko"
funoApp="${fun}App"
funcApp="${fun}App.c"if [ -f "./$funoApp" ]; thenecho "文件存在，正在删除..."rm "./$funoApp"echo "文件已删除"
elseecho "文件不存在，不执行删除操作。"
fiarm-linux-gnueabihf-gcc $funcApp -o $funoApp
sudo cp $funko $funoApp ~/linux/nfs/rootfs/lib/modules/4.1.15/ -fmake
./Compiletest.sh1.1.6：运行测试
重启开发板，进入到目录 lib/modules/4.1.15 中，输入如下命令加载 atomic.ko 驱动模块：
第一次modprobe安装驱动都要depmod一下
depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe spinlock.ko //加载驱动 
驱动加载成功以后就可以使用 spinlockApp软件来测试驱动是否工作正常，输入如下命令以 后台运行模式打开 LED 灯，“&”表示在后台运行 spinlockApp这个软件：
/spinlockApp /dev/spinlock 1& //打开 LED 灯输入上述命令以后观察开发板上的红色 LED 灯是否点亮，然后每隔 5 秒都会输出一行“App running times ”，如图 48.1.2.1 所示：
从图 48.1.2.1 可以看出，spinlockApp运行正常，输出了“App running times:1”和“App running times:2”，这就是模拟 25S 占用，说明 spinlockApp这个软件正在使用 LED 灯。此时再输入如下 命令关闭 LED 灯：
./spinlockApp /dev/spinlock 0 //关闭 LED 灯 
从图 48.1.2.2 可以看出，打开/dev/gpioled 失败！原因是在图 48.1.2.1 中运行的 spinlockApp软件正在占用/dev/spinlock，如果再次运行 spinlockApp软件去操作/dev/spinlock肯定会失败。必须 等待图48.1.2.1中的spinlockApp运行结束，也就是25S结束以后其他软件才能去操作/dev/spinlock。 这个就是采用原子变量实现一次只能有一个应用程序访问 LED 灯。 如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：
rmmod spinlock.ko
3:信号量实验
本节我们来使用信号量实现了一次只能有一个应用程序访问 LED 灯，信号量可以导致休 眠，因此信号量保护的临界区没有运行时间限制，可以在驱动的 open 函数申请信号量，然后在 release 函数中释放信号量。但是信号量不能用在中断中，本节实验我们不会在中断中使用信号 量。
3.1：实验程序编写
3.1.1：修改设备树文件
本章实验是在上一节实验的基础上完成的，同样不需要对设备树做任何的修改。
3.1.2：LED 驱动修改
本节实验在第上一节实验驱动文件 spinlock.c 的基础上修改而来。新建名为“9_semaphore” 的文件夹，然后在 9_semaphore 文件夹里面创建 vscode 工程，工作区命名为“semaphore”。将 8_spinlock 实验中的 spinlock.c 复制到 9_semaphore 文件夹中，并且重命名为 semaphore.c。将原 来使用到自旋锁的地方换为信号量即可，其他的内容基本不变，完成以后的 semaphore.c 文件内 容如下所示(有省略)：
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/semaphore.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>
/***************************************************************
Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
文件名 : semaphore.c
作者 : 左忠凯
版本 : V1.0
描述 : 信号量实验，使用信号量来实现对实现设备的互斥访问
其他 : 无
论坛 : www.openedv.com
日志 : 初版V1.0 2019/7/18 左忠凯创建
***************************************************************/
#define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
#define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
#define LEDOFF 0 /* 关灯 */
#define LEDON 1 /* 开灯 *//* gpioled设备结构体 */
struct gpioled_dev{dev_t devid; /* 设备号 */struct cdev cdev; /* cdev */struct class *class; /* 类 */struct device *device; /* 设备 */int major; /* 主设备号 */int minor; /* 次设备号 */struct device_node *nd; /* 设备节点 */int led_gpio; /* led所使用的GPIO编号 */struct semaphore sem; /* 信号量 */
};struct gpioled_dev gpioled; /* led设备 *//** @description : 打开设备* @param - inode : 传递给驱动的inode* @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量* 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。* @return : 0 成功;其他 失败*/
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 *//* 获取信号量 */if (down_interruptible(&gpioled.sem)) { /* 获取信号量,进入休眠状态的进程可以被信号打断 */return -ERESTARTSYS;}
#if 0down(&gpioled.sem); /* 不能被信号打断 */
#endifreturn 0;
}/** @description : 从设备读取数据 * @param - filp : 要打开的设备文件(文件描述符)* @param - buf : 返回给用户空间的数据缓冲区* @param - cnt : 要读取的数据长度* @param - offt : 相对于文件首地址的偏移* @return : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败*/
static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{return 0;
}/** @description : 向设备写数据 * @param - filp : 设备文件，表示打开的文件描述符* @param - buf : 要写给设备写入的数据* @param - cnt : 要写入的数据长度* @param - offt : 相对于文件首地址的偏移* @return : 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败*/
static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{int retvalue;unsigned char databuf[1];unsigned char ledstat;struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);if(retvalue < 0) {printk("kernel write failed!\r\n");return -EFAULT;}ledstat = databuf[0]; /* 获取状态值 */if(ledstat == LEDON) { gpio_set_value(dev->led_gpio, 0); /* 打开LED灯 */} else if(ledstat == LEDOFF) {gpio_set_value(dev->led_gpio, 1); /* 关闭LED灯 */}return 0;
}/** @description : 关闭/释放设备* @param - filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)* @return : 0 成功;其他 失败*/
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;up(&dev->sem); /* 释放信号量，信号量值加1 */return 0;
}/* 设备操作函数 */
static struct file_operations gpioled_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = led_open,.read = led_read,.write = led_write,.release = led_release,
};/** @description : 驱动入口函数* @param : 无* @return : 无*/
static int __init led_init(void)
{int ret = 0;/* 初始化信号量 */sema_init(&gpioled.sem, 1);/* 设置LED所使用的GPIO *//* 1、获取设备节点：gpioled */gpioled.nd = of_find_node_by_path("/gpioled");if(gpioled.nd == NULL) {printk("gpioled node not find!\r\n");return -EINVAL;} else {printk("gpioled node find!\r\n");}/* 2、 获取设备树中的gpio属性，得到LED所使用的LED编号 */gpioled.led_gpio = of_get_named_gpio(gpioled.nd, "led-gpio", 0);if(gpioled.led_gpio < 0) {printk("can't get led-gpio");return -EINVAL;}printk("led-gpio num = %d\r\n", gpioled.led_gpio);/* 3、设置GPIO1_IO03为输出，并且输出高电平，默认关闭LED灯 */ret = gpio_direction_output(gpioled.led_gpio, 1);if(ret < 0) {printk("can't set gpio!\r\n");}/* 注册字符设备驱动 *//* 1、创建设备号 */if (gpioled.major) { /* 定义了设备号 */gpioled.devid = MKDEV(gpioled.major, 0);register_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME);} else { /* 没有定义设备号 */alloc_chrdev_region(&gpioled.devid, 0, GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME); /* 申请设备号 */gpioled.major = MAJOR(gpioled.devid); /* 获取分配号的主设备号 */gpioled.minor = MINOR(gpioled.devid); /* 获取分配号的次设备号 */}printk("gpioled major=%d,minor=%d\r\n",gpioled.major, gpioled.minor); /* 2、初始化cdev */gpioled.cdev.owner = THIS_MODULE;cdev_init(&gpioled.cdev, &gpioled_fops);/* 3、添加一个cdev */cdev_add(&gpioled.cdev, gpioled.devid, GPIOLED_CNT);/* 4、创建类 */gpioled.class = class_create(THIS_MODULE, GPIOLED_NAME);if (IS_ERR(gpioled.class)) {return PTR_ERR(gpioled.class);}/* 5、创建设备 */gpioled.device = device_create(gpioled.class, NULL, gpioled.devid, NULL, GPIOLED_NAME);if (IS_ERR(gpioled.device)) {return PTR_ERR(gpioled.device);}return 0;
}/** @description : 驱动出口函数* @param : 无* @return : 无*/
static void __exit led_exit(void)
{/* 注销字符设备驱动 */cdev_del(&gpioled.cdev);/* 删除cdev */unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT); /* 注销设备号 */device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid);class_destroy(gpioled.class);
}module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");
第 14 行，要使用信号量必须添加头文件。 第 43 行，在设备结构体中添加一个信号量成员变量 sem。
第 60~65行，在 open函数中申请信号量，可以使用 down 函数，也可以使用 down_interruptible 函数。如果信号量值大于等于 1 就表示可用，那么应用程序就会开始使用 LED 灯。如果信号量 值为 0 就表示应用程序不能使用 LED 灯，此时应用程序就会进入到休眠状态。等到信号量值大 于 1 的时候应用程序就会唤醒，申请信号量，获取 LED 灯使用权。
第 123 行，在 release 函数中调用 up 函数释放信号量，这样其他因为没有得到信号量而进 入休眠状态的应用程序就会唤醒，获取信号量。
第 147 行，在驱动入口函数中调用 sema_init 函数初始化信号量 sem 的值为 1，相当于 sem 是个二值信号量。 总结一下，当信号量 sem 为 1 的时候表示 LED 灯还没有被使用，如果应用程序 A 要使用 LED 灯，先调用 open 函数打开/dev/gpioled，这个时候会获取信号量 sem，获取成功以后 sem 的 值减 1 变为 0。如果此时应用程序 B 也要使用 LED 灯，调用 open 函数打开/dev/semaphore就会因 为信号量无效(值为 0)而进入休眠状态。当应用程序 A 运行完毕，调用 close 函数关闭/dev/semaphore的时候就会释放信号量 sem，此时信号量 sem 的值就会加 1，变为 1。信号量 sem 再次有效，表 示其他应用程序可以使用 LED 灯了，此时在休眠状态的应用程序 B 就会获取到信号量 sem，获 取成功以后就开始使用 LED 灯。
测试APP与上节基本就是换个名字，这里也不再赘述。结果也不再赘述
4：互斥体实验
前面我们使用原子操作、自旋锁和信号量实现了对 LED 灯的互斥访问，但是最适合互斥的 就是互斥体 mutex 了。本节我们来学习一下如何使用 mutex 实现对 LED 灯的互斥访问。
4.1：实验程序编写
4.1.1：修改设备树文件
本章实验是在上一节实验的基础上完成的，同样不需要对设备树做任何的修改。
4.1.2：LED 驱动修改
本节实验在第上一节实验驱动文件 semaphore.c 的基础上修改而来。新建名为“10_mutex” 的文件夹，然后在 10_mutex 文件夹里面创建 vscode 工程，工作区命名为“mutex”。将 9_semaphore 实验中的 semaphore.c 复制到 10_mutex 文件夹中，并且重命名为 mutex.c。将原来使用到信号量 的地方换为 mutex即可，其他的内容基本不变，完成以后的 mutex.c文件内容如下所示(有省略)：
#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/semaphore.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>
/***************************************************************
Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
文件名 : mutex.c
作者 : 左忠凯
版本 : V1.0
描述 : 互斥体实验，使用互斥体来实现对实现设备的互斥访问
其他 : 无
论坛 : www.openedv.com
日志 : 初版V1.0 2019/7/18 左忠凯创建
***************************************************************/
#define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
#define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
#define LEDOFF 0 /* 关灯 */
#define LEDON 1 /* 开灯 *//* gpioled设备结构体 */
struct gpioled_dev{dev_t devid; /* 设备号 */struct cdev cdev; /* cdev */struct class *class; /* 类 */struct device *device; /* 设备 */int major; /* 主设备号 */int minor; /* 次设备号 */struct device_node *nd; /* 设备节点 */int led_gpio; /* led所使用的GPIO编号 */struct mutex lock; /* 互斥体 */
};struct gpioled_dev gpioled; /* led设备 *//** @description : 打开设备* @param - inode : 传递给驱动的inode* @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量* 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。* @return : 0 成功;其他 失败*/
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 *//* 获取互斥体,可以被信号打断 */if (mutex_lock_interruptible(&gpioled.lock)) {return -ERESTARTSYS;}
#if 0mutex_lock(&gpioled.lock); /* 不能被信号打断 */
#endifreturn 0;
}/** @description : 从设备读取数据 * @param - filp : 要打开的设备文件(文件描述符)* @param - buf : 返回给用户空间的数据缓冲区* @param - cnt : 要读取的数据长度* @param - offt : 相对于文件首地址的偏移* @return : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败*/
static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{return 0;
}/** @description : 向设备写数据 * @param - filp : 设备文件，表示打开的文件描述符* @param - buf : 要写给设备写入的数据* @param - cnt : 要写入的数据长度* @param - offt : 相对于文件首地址的偏移* @return : 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败*/
static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{int retvalue;unsigned char databuf[1];unsigned char ledstat;struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);if(retvalue < 0) {printk("kernel write failed!\r\n");return -EFAULT;}ledstat = databuf[0]; /* 获取状态值 */if(ledstat == LEDON) { gpio_set_value(dev->led_gpio, 0); /* 打开LED灯 */} else if(ledstat == LEDOFF) {gpio_set_value(dev->led_gpio, 1); /* 关闭LED灯 */}return 0;
}/** @description : 关闭/释放设备* @param - filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)* @return : 0 成功;其他 失败*/
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;/* 释放互斥锁 */mutex_unlock(&dev->lock);return 0;
}/* 设备操作函数 */
static struct file_operations gpioled_fops = {.owner = THIS_MODULE,.open = led_open,.read = led_read,.write = led_write,.release = led_release,
};/** @description : 驱动入口函数* @param : 无* @return : 无*/
static int __init led_init(void)
{int ret = 0;/* 初始化互斥体 */mutex_init(&gpioled.lock);/* 设置LED所使用的GPIO *//* 1、获取设备节点：gpioled */gpioled.nd = of_find_node_by_path("/gpioled");if(gpioled.nd == NULL) {printk("gpioled node not find!\r\n");return -EINVAL;} else {printk("gpioled node find!\r\n");}/* 2、 获取设备树中的gpio属性，得到LED所使用的LED编号 */gpioled.led_gpio = of_get_named_gpio(gpioled.nd, "led-gpio", 0);if(gpioled.led_gpio < 0) {printk("can't get led-gpio");return -EINVAL;}printk("led-gpio num = %d\r\n", gpioled.led_gpio);/* 3、设置GPIO1_IO03为输出，并且输出高电平，默认关闭LED灯 */ret = gpio_direction_output(gpioled.led_gpio, 1);if(ret < 0) {printk("can't set gpio!\r\n");}/* 注册字符设备驱动 *//* 1、创建设备号 */if (gpioled.major) { /* 定义了设备号 */gpioled.devid = MKDEV(gpioled.major, 0);register_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME);} else { /* 没有定义设备号 */alloc_chrdev_region(&gpioled.devid, 0, GPIOLED_CNT, GPIOLED_NAME); /* 申请设备号 */gpioled.major = MAJOR(gpioled.devid); /* 获取分配号的主设备号 */gpioled.minor = MINOR(gpioled.devid); /* 获取分配号的次设备号 */}printk("gpioled major=%d,minor=%d\r\n",gpioled.major, gpioled.minor); /* 2、初始化cdev */gpioled.cdev.owner = THIS_MODULE;cdev_init(&gpioled.cdev, &gpioled_fops);/* 3、添加一个cdev */cdev_add(&gpioled.cdev, gpioled.devid, GPIOLED_CNT);/* 4、创建类 */gpioled.class = class_create(THIS_MODULE, GPIOLED_NAME);if (IS_ERR(gpioled.class)) {return PTR_ERR(gpioled.class);}/* 5、创建设备 */gpioled.device = device_create(gpioled.class, NULL, gpioled.devid, NULL, GPIOLED_NAME);if (IS_ERR(gpioled.device)) {return PTR_ERR(gpioled.device);}return 0;
}/** @description : 驱动出口函数* @param : 无* @return : 无*/
static void __exit led_exit(void)
{/* 注销字符设备驱动 */cdev_del(&gpioled.cdev);/* 删除cdev */unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT); /* 注销设备号 */device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid);class_destroy(gpioled.class);
}module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");
第 43 行，定义互斥体 lock。 第 60~65 行，在 open 函数中调用 mutex_lock_interruptible 或者 mutex_lock 获取 mutex，成 功的话就表示可以使用 LED 灯，失败的话就会进入休眠状态，和信号量一样。 第 124 行，在 release 函数中调用 mutex_unlock 函数释放 mutex，这样其他应用程序就可以 获取 mutex 了。 第 148 行，在驱动入口函数中调用 mutex_init 初始化 mutex。 互斥体和二值信号量类似，只不过互斥体是专门用于互斥访问的。
以下内不再赘述
本文仅在记录学习正点原子imx6ull-mini开发板的过程，不做他用。