目录
- 原子操作实验
- 实验程序编写
- 运行测试(运行多个APP抢占资源)
- 自旋锁实验
- 实验程序编写
- 运行测试
- 信号量实验
- 实验程序编写
- 运行测试(第二条命令因为获取信号量失败而进入休眠状态)
- 互斥体实验(类似二值信号量，会休眠)
- 实验程序编写
- 运行测试
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。
原子操作实验
本实验对应的例程路径为：开发板光盘-> 2、Linux 驱动例程-> 7_atomic。
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。
实验程序编写
1、修改设备树文件
因为本章实验是在第四十五章实验的基础上完成的，因此不需要对设备树做任何的修改。
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：
#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 : atomic.c
作者 : 左忠凯
版本 : V1.0
描述 : 原子操作实验，使用原子变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 */atomic_t lock; /* 原子变量 */
};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)
{/* 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)) {//V减1 不能使用驱动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;
}/** @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;/* 关闭驱动文件的时候释放原子变量 就是加1 */atomic_inc(&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;
}/** @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42 行，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。
第57~60 行，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。
第120 行，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。
第143 行，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。
3、编写测试APP
新建名为atomicApp.c 的测试APP，在里面输入如下所示内容：
#include "stdio.h"
#include "unistd.h"
#include "sys/types.h"
#include "sys/stat.h"
#include "fcntl.h"
#include "stdlib.h"
#include "string.h"
/***************************************************************
Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
文件名 : atomicApp.c
作者 : 左忠凯
版本 : V1.0
描述 : 原子变量测试APP，测试原子变量能不能实现一次只允许一个应用程序使用LED。
其他 : 无
使用方法 ：./atomicApp /dev/gpioled 0 关闭LED灯./atomicApp /dev/gpioled 1 打开LED灯
论坛 : www.openedv.com
日志 : 初版V1.0 2019/1/30 左忠凯创建
***************************************************************/#define LEDOFF 0
#define LEDON 1/** @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;
}
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x！
运行测试(运行多个APP抢占资源)
1、编译驱动程序
编写Makefile 文件，本章实验的Makefile 文件和第四十章实验基本一样，只是将obj-m 变量的值改为atomic.o，Makefile 内容如下所示：
1 KERNELDIR := /home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
......
4 obj-m := atomic.o
......
11 clean:
12 $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean
第4 行，设置obj-m 变量的值为atomic.o。
输入如下命令编译出驱动模块文件：
make -j32
编译成功以后就会生成一个名为“atomic.ko”的驱动模块文件。
2、编译测试APP
输入如下命令编译测试atomicApp.c 这个测试程序：
arm-linux-gnueabihf-gcc atomicApp.c -o atomicApp
编译成功以后就会生成atomicApp 这个应用程序。
3、运行测试
将上一小节编译出来的atomic.ko 和atomicApp 这两个文件拷贝到rootfs/lib/modules/4.1.15目录中，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：
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/gpioled 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/gpioled 0 //关闭LED 灯
输入上述命令以后会发现如图48.1.2.2 所示输入信息：
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atomicAPP软件正在占用/dev/gpioled，如果再次运行atomicApp 软件去操作/dev/gpioled 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/gpioled。
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
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。
实验程序编写
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、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 大于1 */spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags);/* 解锁 */return -EBUSY;}gpioled.dev_stats++; /* 如果设备没有打开，那么就标记已经被使用了 */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，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变量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。
3、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。
运行测试
1、编译驱动程序
编写Makefile 文件，本章实验的Makefile 文件和第四十章实验基本一样，只是将obj-m 变量的值改为spinlock.o，Makefile 内容如下所示：
KERNELDIR := /home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
CURRENT_PATH := $(shell pwd)obj-m := spinlock.obuild: kernel_moduleskernel_modules:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modulesclean:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean
第4 行，设置obj-m 变量的值为spinlock.o。
输入如下命令编译出驱动模块文件：
make -j32
编译成功以后就会生成一个名为“spinlock.ko”的驱动模块文件。
2、编译测试APP
输入如下命令编译测试spinlockApp.c 这个测试程序：
arm-linux-gnueabihf-gcc spinlockApp.c -o spinlockApp
编译成功以后就会生成spinlockApp 这个应用程序。
3、运行测试
将上一小节编译出来的spinlock.ko 和spinlockApp 这两个文件拷贝到
rootfs/lib/modules/4.1.15 目录中，重启开发板，进入到目录lib/modules/4.1.15 中，输入如下命令加载spinlock.ko 驱动模块：
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 软件测试驱动是否工作正常，测试方法和48.1.2小节中一样，先输入如下命令让spinlockAPP 软件模拟占用25S 的LED 灯：
./spinlockApp /dev/gpioled 1& //打开LED 灯
紧接着再输入如下命令关闭LED 灯：
./spinlockApp /dev/gpioled 0 //关闭LED 灯
看一下能不能关闭LED 灯，驱动正常工作的话并不会马上关闭LED 灯，会提示你“file /dev/gpioled open failed!”，必须等待第一个spinlockApp 软件运行完成(25S 计时结束)才可以再次操作LED 灯。
如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：
rmmod spinlock.ko
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。
实验程序编写
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、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<linux/semaphore.h>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/gpioled 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/gpioled
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。
3、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semaApp.c 即可。
运行测试(第二条命令因为获取信号量失败而进入休眠状态)
1、编译驱动程序
编写Makefile 文件，本章实验的Makefile 文件和第四十章实验基本一样，只是将obj-m 变量的值改为semaphore.o，Makefile 内容如下所示：
KERNELDIR := /home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
CURRENT_PATH := $(shell pwd)obj-m := semaphore.obuild: kernel_moduleskernel_modules:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modulesclean:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean
第4 行，设置obj-m 变量的值为semaphore.o。
输入如下命令编译出驱动模块文件：
make -j32
编译成功以后就会生成一个名为“semaphore.ko”的驱动模块文件。
2、编译测试APP
输入如下命令编译测试semaApp.c 这个测试程序：
arm-linux-gnueabihf-gcc semaApp.c -o semaApp
编译成功以后就会生成semaApp 这个应用程序。
3、运行测试
将上一小节编译出来的semaphore.ko 和semaApp 这两个文件拷贝到
rootfs/lib/modules/4.1.15 目录中，重启开发板，进入到目录lib/modules/4.1.15 中，输入如下命令
加载semaphore.ko 驱动模块：
depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe semaphore.ko //加载驱动
驱动加载成功以后就可以使用semaApp 软件测试驱动是否工作正常，测试方法和48.1.2 小
节中一样，先输入如下命令让semaApp 软件模拟占用25S 的LED 灯：
./ semaApp /dev/gpioled 1& //打开LED 灯
紧接着再输入如下命令关闭LED 灯：
./ semaApp /dev/gpioled 0& //关闭LED 灯
注意两个命令都是运行在后台，第一条命令先获取到信号量，因此可以操作LED 灯，将LED 灯打开，并且占有25S。
第二条命令因为获取信号量失败而进入休眠状态，等待第一条命令运行完毕并释放信号量以后才拥有LED 灯使用权，将LED 灯关闭，运行结果如图48.3.2.1 所示：
如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：
rmmod semaphore.ko
互斥体实验(类似二值信号量，会休眠)
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。
实验程序编写
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、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。
3、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mutexApp.c 即可。
运行测试
1、编译驱动程序
编写Makefile 文件，本章实验的Makefile 文件和第四十章实验基本一样，只是将obj-m 变量的值改为mutex.o，Makefile 内容如下所示：
KERNELDIR := /home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
CURRENT_PATH := $(shell pwd)obj-m := mutex.obuild: kernel_moduleskernel_modules:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modulesclean:$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean
第4 行，设置obj-m 变量的值为mutex.o。
输入如下命令编译出驱动模块文件：
make -j32
编译成功以后就会生成一个名为“mutex.ko”的驱动模块文件。
2、编译测试APP
输入如下命令编译测试mutexApp.c 这个测试程序：
arm-linux-gnueabihf-gcc mutexApp.c -o mutexApp
编译成功以后就会生成mutexApp 这个应用程序。
3、运行测试
将上一小节编译出来的mutex.ko 和mutexApp 这两个文件拷贝到rootfs/lib/modules/4.1.15目录中，重启开发板，进入到目录lib/modules/4.1.15 中，输入如下命令加载mutex.ko 驱动模块：
depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe mutex.ko //加载驱动
驱动加载成功以后就可以使用mutexApp 软件测试驱动是否工作正常，测试方法和48.3.2中测试信号量的方法一样。
如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：
rmmod mutex.ko
