【正点原子MP157连载】第二十八章 Linux并发与竞争实验-摘自【正点原子】STM32MP1嵌入式Linux驱动开发指南V1.7
1）实验平台：正点原子STM32MP157开发板
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第二十八章 Linux并发与竞争实验
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。
28.1 原子操作实验
本实验对应的例程路径为：开发板光盘 1、程序源码2、Linux驱动例程7_atomic。
本例程我们在第二十五章的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。
28.1.1 实验程序编写
1、修改设备树文件
因为本章实验是在第二十五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
本节实验在第二十五章实验驱动文件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：
示例代码28.1.1.1 atomic.c文件代码段
1 #include <linux/types.h>
2 #include <linux/kernel.h>
3 #include <linux/delay.h>
4 #include <linux/ide.h>
5 #include <linux/init.h>
6 #include <linux/module.h>
7 #include <linux/errno.h>
8 #include <linux/gpio.h>
9 #include <linux/cdev.h>
10 #include <linux/device.h>
11 #include <linux/of.h>
12 #include <linux/of_address.h>
13 #include <linux/of_gpio.h>
14 #include <asm/mach/map.h>
15 #include <asm/uaccess.h>
16 #include <asm/io.h>
17 /***************************************************************
18 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
19 文件名 : gpioled.c
20 作者 : 正点原子Linux团队
21 版本 : V1.0
22 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。
23 其他 : 无
24 论坛 : www.openedv.com
25 日志 : 初版V1.0 2021/1/4 正点原子Linux团队创建
26 ***************************************************************/
27 #define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
28 #define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
29 #define LEDOFF 0 /* 关灯 */
30 #define LEDON 1 /* 开灯 */
31
32 /* gpioled设备结构体 */
33 struct gpioled_dev{34 dev_t devid; /* 设备号 */
35 struct cdev cdev; /* cdev */
36 struct class *class; /* 类 */
37 struct device *device; /* 设备 */
38 int major; /* 主设备号 */
39 int minor; /* 次设备号 */
40 struct device_node *nd; /* 设备节点 */
41 int led_gpio; /* led所使用的GPIO编号 */
42 atomic_t lock; /* 原子变量 */
43 };
44
45 static struct gpioled_dev gpioled; /* led设备 */
46
47
48 /*
49 * @description : 打开设备
50 * @param – inode : 传递给驱动的inode
51 * @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
52 * 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
53 * @return : 0 成功;其他 失败
54 */
55 static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
56 {57 /* 通过判断原子变量的值来检查LED有没有被别的应用使用 */
58 if (!atomic_dec_and_test(&gpioled.lock)) {59 atomic_inc(&gpioled.lock);/* 小于0的话就加1,使其原子变量等于0 */
60 return -EBUSY; /* LED被使用，返回忙 */
61 }
62
63 filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 */
64 return 0;
65 }
66
67 /*
68 * @description : 从设备读取数据
69 * @param - filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
70 * @param - buf : 返回给用户空间的数据缓冲区
71 * @param - cnt : 要读取的数据长度
72 * @param - offt : 相对于文件首地址的偏移
73 * @return : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败
74 */
75 static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
76 {77 return 0;
78 }
79
80 /*
81 * @description : 向设备写数据
82 * @param - filp : 设备文件，表示打开的文件描述符
83 * @param - buf : 要写给设备写入的数据
84 * @param - cnt : 要写入的数据长度
85 * @param - offt : 相对于文件首地址的偏移
86 * @return : 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败
87 */
88 static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
89 {90 int retvalue;
91 unsigned char databuf[1];
92 unsigned char ledstat;
93 struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
94
95 retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);
96 if(retvalue < 0) {97 printk("kernel write failed!\r\n");
98 return -EFAULT;
99 }
100
101 ledstat = databuf[0]; /* 获取状态值 */
102
103 if(ledstat == LEDON) {
104 gpio_set_value(dev->led_gpio, 0); /* 打开LED灯 */
105 } else if(ledstat == LEDOFF) {106 gpio_set_value(dev->led_gpio, 1); /* 关闭LED灯 */
107 }
108 return 0;
109 }
110
111 /*
112 * @description : 关闭/释放设备
113 * @param – filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
114 * @return : 0 成功;其他 失败
115 */
116 static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
117 {118 struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
119
120 /* 关闭驱动文件的时候释放原子变量 */
121 atomic_inc(&dev->lock);
122
123 return 0;
124 }
125
126 /* 设备操作函数 */
127 static struct file_operations gpioled_fops = {128 .owner = THIS_MODULE,
129 .open = led_open,
130 .read = led_read,
131 .write = led_write,
132 .release = led_release,
133 };
134
135 /*
136 * @description : 驱动出口函数
137 * @param : 无
138 * @return : 无
139 */
140 static int __init led_init(void)
141 {142 int ret = 0;
143 const char *str;
144
145 /* 1、初始化原子变量 */
146 gpioled.lock = (atomic_t)ATOMIC_INIT(0);
147
148 /* 2、原子变量初始值为1 */
149 atomic_set(&gpioled.lock, 1);
150
151 /* 设置LED所使用的GPIO */
152 /* 1、获取设备节点：gpioled */
153 gpioled.nd = of_find_node_by_path("/gpioled");
154 if(gpioled.nd == NULL) {155 printk("gpioled node not find!\r\n");
156 return -EINVAL;
157 }
158
159 /* 2.读取status属性 */
160 ret = of_property_read_string(gpioled.nd, "status", &str);
161 if(ret < 0)
162 return -EINVAL;
163
164 if (strcmp(str, "okay"))
165 return -EINVAL;
166
167 /* 3、获取compatible属性值并进行匹配 */
168 ret = of_property_read_string(gpioled.nd, "compatible", &str);
169 if(ret < 0) {170 printk("gpioled: Failed to get compatible property\n");
171 return -EINVAL;
172 }
173
174 if (strcmp(str, "alientek,led")) {175 printk("gpioled: Compatible match failed\n");
176 return -EINVAL;
177 }
178
179 /* 4、 获取设备树中的gpio属性，得到LED所使用的LED编号 */
180 gpioled.led_gpio = of_get_named_gpio(gpioled.nd, "led-gpio", 0);
181 if(gpioled.led_gpio < 0) {182 printk("can't get led-gpio");
183 return -EINVAL;
184 }
185 printk("led-gpio num = %d\r\n", gpioled.led_gpio);
186
187 /* 5.向gpio子系统申请使用GPIO */
188 ret = gpio_request(gpioled.led_gpio, "LED-GPIO");
189 if (ret) {190 printk(KERN_ERR "gpioled: Failed to request led-gpio\n");
191 return ret;
192 }
193
194 /* 6、设置PI0为输出，并且输出高电平，默认关闭LED灯 */
195 ret = gpio_direction_output(gpioled.led_gpio, 1);
196 if(ret < 0) {197 printk("can't set gpio!\r\n");
198 }
199
200 /* 注册字符设备驱动 */
201 /* 1、创建设备号 */
202 if (gpioled.major) { /* 定义了设备号 */
203 gpioled.devid = MKDEV(gpioled.major, 0);
204 ret = register_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT,
GPIOLED_NAME);
205 if(ret < 0) {206 pr_err("cannot register %s char driver [ret=%d]\n",
GPIOLED_NAME, GPIOLED_CNT);
207 goto free_gpio;
208 }
209 } else { /* 没有定义设备号 */
210 ret = alloc_chrdev_region(&gpioled.devid, 0, GPIOLED_CNT,
GPIOLED_NAME); /* 申请设备号 */
211 if(ret < 0) {212 pr_err("%s Couldn't alloc_chrdev_region, ret=%d\r\n",
GPIOLED_NAME, ret);
213 goto free_gpio;
214 }
215 gpioled.major = MAJOR(gpioled.devid); /* 获取分配号的主设备号 */
216 gpioled.minor = MINOR(gpioled.devid); /* 获取分配号的次设备号 */
217 }
218 printk("gpioled major=%d,minor=%d\r\n",gpioled.major,
gpioled.minor);
219
220 /* 2、初始化cdev */
221 gpioled.cdev.owner = THIS_MODULE;
222 cdev_init(&gpioled.cdev, &gpioled_fops);
223
224 /* 3、添加一个cdev */
225 cdev_add(&gpioled.cdev, gpioled.devid, GPIOLED_CNT);
226 if(ret < 0)
227 goto del_unregister;
228
229 /* 4、创建类 */
230 gpioled.class = class_create(THIS_MODULE, GPIOLED_NAME);
231 if (IS_ERR(gpioled.class)) {232 goto del_cdev;
233 }
234
235 /* 5、创建设备 */
236 gpioled.device = device_create(gpioled.class, NULL,
gpioled.devid, NULL, GPIOLED_NAME);
237 if (IS_ERR(gpioled.device)) {238 goto destroy_class;
239 }
240 return 0;
241
242 destroy_class:
243 device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid);
244 del_cdev:
245 cdev_del(&gpioled.cdev);
246 del_unregister:
247 unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT);
248 free_gpio:
249 gpio_free(gpioled.led_gpio);
250 return -EIO;
251 }
252
253 /*
254 * @description : 驱动出口函数
255 * @param : 无
256 * @return : 无
257 */
258 static void __exit led_exit(void)
259 {260 /* 注销字符设备驱动 */
261 cdev_del(&gpioled.cdev); /* 删除cdev */
262 unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT);/* 注销*/
263 device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid);/* 注销设备 */
264 class_destroy(gpioled.class); /* 注销类 */
265 gpio_free(gpioled.led_gpio); /* 释放GPIO */
266 }
267
268 module_init(led_init);
269 module_exit(led_exit);
270 MODULE_LICENSE("GPL");
271 MODULE_AUTHOR("ALIENTEK");
272 MODULE_INFO(intree, "Y");
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57~61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146行，初始化原子变量lock，初始值设置为0。
第149行，原子变量lock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
示例代码28.1.1.2 atomicApp.c文件代码
1 #include "stdio.h"
2 #include "unistd.h"
3 #include "sys/types.h"
4 #include "sys/stat.h"
5 #include "fcntl.h"
6 #include "stdlib.h"
7 #include "string.h"
8 /***************************************************************
9 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
10 文件名 : atomicApp.c
11 作者 : 正点原子Linux团队
12 版本 : V1.0
13 描述 : 原子变量测试APP，测试原子变量能不能实现一次
14 只允许一个应用程序使用LED。
15 其他 : 无
16 使用方法 ：./atomicApp /dev/gpioled 0 关闭LED灯
17 ./atomicApp /dev/gpioled 1 打开LED灯
18 论坛 : www.openedv.com
19 日志 : 初版V1.0 2021/1/04 正点原子Linux团队创建
20 ***************************************************************/
21
22 #define LEDOFF 0
23 #define LEDON 1
24
25 /*
26 * @description : main主程序
27 * @param - argc : argv数组元素个数
28 * @param - argv : 具体参数
29 * @return : 0 成功;其他 失败
30 */
31 int main(int argc, char *argv[])
32 {33 int fd, retvalue;
34 char *filename;
35 unsigned char cnt = 0;
36 unsigned char databuf[1];
37
38 if(argc != 3){39 printf("Error Usage!\r\n");
40 return -1;
41 }
42
43 filename = argv[1];
44
45 /* 打开beep驱动 */
46 fd = open(filename, O_RDWR);
47 if(fd < 0){48 printf("file %s open failed!\r\n", argv[1]);
49 return -1;
50 }
51
52 databuf[0] = atoi(argv[2]); /* 要执行的操作：打开或关闭 */
53
54 /* 向/dev/gpioled文件写入数据 */
55 retvalue = write(fd, databuf, sizeof(databuf));
56 if(retvalue < 0){57 printf("LED Control Failed!\r\n");
58 close(fd);
59 return -1;
60 }
61
62 /* 模拟占用25S LED */
63 while(1) {64 sleep(5);
65 cnt++;
66 printf("App running times:%d\r\n", cnt);
67 if(cnt >= 5) break;
68 }
69
70 printf("App running finished!");
71 retvalue = close(fd); /* 关闭文件 */
72 if(retvalue < 0){73 printf("file %s close failed!\r\n", argv[1]);
74 return -1;
75 }
76 return 0;
77 }
78
28.1.2 运行测试
1、编译驱动程序
编写Makefile文件，本章实验的Makefile文件和第二十章实验基本一样，只是将obj-m变量的值改为atomic.o，Makefile内容如下所示：
示例代码28.1.2.1 Makefile文件
1 KERNELDIR := home/zuozhongkai/linux/my_linux/linux-5.4.31
......
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-none-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/5.4.31目录中，重启开发板，进入到目录lib/modules/5.4.31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28.1.2.1所示：
图28.1.2.1 打开LED灯
从图28.1.2.1可以看出，atomicApp运行正常，输出了“App running times:1”和“App running times:2”等字符串，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28.1.2.2所示输入信息：
图28.1.2.2 关闭LED灯
从图28.1.2.2可以看出，打开/dev/gpioled失败！原因是在图28.1.2.1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28.1.2.1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
28.2 自旋锁实验
本实验对应的例程路径为：开发板光盘 1、程序源码2、Linux驱动例程8_spinlock。
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。
28.2.1 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)：
示例代码28.2.1.1 spinlock.c文件代码
1 #include <linux/types.h>
2 #include <linux/kernel.h>
3 #include <linux/delay.h>
.....
17 /***************************************************************
18 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
19 文件名 : gpioled.c
20 作者 : 正点原子Linux团队
21 版本 : V1.0
22 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。
23 其他 : 无
24 论坛 : www.openedv.com
25 日志 : 初版V1.0 2021/1/4 正点原子Linux团队创建
26 ***************************************************************/
27 #define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
28 #define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
29 #define LEDOFF 0 /* 关灯 */
30 #define LEDON 1 /* 开灯 */
31
32 /* gpioled设备结构体 */
33 struct gpioled_dev{34 dev_t devid; /* 设备号 */
35 struct cdev cdev; /* cdev */
36 struct class *class; /* 类 */
37 struct device *device; /* 设备 */
38 int major; /* 主设备号 */
39 int minor; /* 次设备号 */
40 struct device_node *nd; /* 设备节点 */
41 int led_gpio; /* led所使用的GPIO编号 */
42 int dev_stats; /*使用状态，0，设备未使用;>0,设备已经被使用 */
43 spinlock_t lock; /* 自旋锁 */
44 };
45
46 static struct gpioled_dev gpioled; /* led设备 */
47
48
49 /*
50 * @description : 打开设备
51 * @param – inode : 传递给驱动的inode
52 * @param – filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
53 * 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
54 * @return : 0 成功;其他 失败
55 */
56 static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
57 {58 unsigned long flags;
59 filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 */
60
61 spin_lock_irqsave(&gpioled.lock, flags); /* 上锁 */
62 if (gpioled.dev_stats) { /* 如果设备被使用了 */
63 spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags);/* 解锁 */
64 return -EBUSY;
65 }
66 gpioled.dev_stats++; /* 如果设备没有打开，那么就标记已经打开了 */
67 spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags);/* 解锁 */
68
69 return 0;
70 }
......
116 /*
117 * @description : 关闭/释放设备
118 * @param - filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
119 * @return : 0 成功;其他 失败
120 */
121 static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
122 {123 unsigned long flags;
124 struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
125
126 /* 关闭驱动文件的时候将dev_stats减1 */
127 spin_lock_irqsave(&dev->lock, flags); /* 上锁 */
128 if (dev->dev_stats) {129 dev->dev_stats--;
130 }
131 spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags);/* 解锁 */
132
133 return 0;
134 }
135
136 /* 设备操作函数 */
137 static struct file_operations gpioled_fops = {138 .owner = THIS_MODULE,
139 .open = led_open,
140 .read = led_read,
141 .write = led_write,
142 .release = led_release,
143 };
144
145 /*
146 * @description : 驱动出口函数
147 * @param : 无
148 * @return : 无
149 */
150 static int __init led_init(void)
151 {152 int ret = 0;
153 const char *str;
154
155 /* 初始化自旋锁 */
156 spin_lock_init(&gpioled.lock);
157
......
258 }
259
260 /*
261 * @description : 驱动出口函数
262 * @param : 无
263 * @return : 无
264 */
265 static void __exit led_exit(void)
266 {267 /* 注销字符设备驱动 */
268 cdev_del(&gpioled.cdev); /* 删除cdev */
269 unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT);
270 device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid);/* 注销设备 */
271 class_destroy(gpioled.class);/* 注销类 */
272 gpio_free(gpioled.led_gpio); /* 释放GPIO */
273 }
274
275 module_init(led_init);
276 module_exit(led_exit);
277 MODULE_LICENSE("GPL");
278 MODULE_AUTHOR("ALIENTEK");
279 MODULE_INFO(intree, "Y");
第42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43行，定义自旋锁变量lock。
第60~67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156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28.1.1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。
28.2.2 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：
示例代码28.2.2.1 Makefile文件
1 KERNELDIR := /home/zuozhongkai/linux/my_linux/linux-5.4.31
......
4 obj-m := spinlock.o
......
11 clean:
12 $(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atomicApp.c这个测试程序：
arm-none-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/5.4.31目录中，重启开发板，进入到目录lib/modules/5.4.31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28.1.2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
28.3 信号量实验
本节我们使用信号量来实现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。
28.3.1 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)：
示例代码28.3.1.1 semaphore.c文件代码
1 #include <linux/types.h>
......
14 #include <linux/semaphore.h>
15 #include <asm/mach/map.h>
16 #include <asm/uaccess.h>
17 #include <asm/io.h>
18 /***************************************************************
19 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
20 文件名 : gpioled.c
21 作者 : 正点原子Linux团队
22 版本 : V1.0
23 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。
24 其他 : 无
25 论坛 : www.openedv.com
26 日志 : 初版V1.0 2021/1/4 正点原子Linux团队创建
27 ***************************************************************/
28 #define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
29 #define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
30 #define LEDOFF 0 /* 关灯 */
31 #define LEDON 1 /* 开灯 */
32
33 /* gpioled设备结构体 */
34 struct gpioled_dev{35 dev_t devid; /* 设备号 */
36 struct cdev cdev; /* cdev */
37 struct class *class; /* 类 */
38 struct device *device; /* 设备 */
39 int major; /* 主设备号 */
40 int minor; /* 次设备号 */
41 struct device_node *nd; /* 设备节点 */
42 int led_gpio; /* led所使用的GPIO编号 */
43 struct semaphore sem; /* 信号量 */
44 };
45
46 static struct gpioled_dev gpioled; /* led设备 */
47
48
49 /*
50 * @description : 打开设备
51 * @param – inode : 传递给驱动的inode
52 * @param – filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
53 * 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
54 * @return : 0 成功;其他 失败
55 */
56 static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
57 {58 filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 */
59
60 /* 获取信号量 */
61 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，这时count就为0 */
62 return -ERESTARTSYS;
63 }
64 #if 0
65 down(&gpioled.sem); /* 不能被信号打断 */
66 #endif
67
68 return 0;
69 }
.....
120 static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
121 {122 struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
123
124 up(&dev->sem); /* 释放信号量，信号量count值加1 */
125 return 0;
126 }
127
128 /* 设备操作函数 */
129 static struct file_operations gpioled_fops = {130 .owner = THIS_MODULE,
131 .open = led_open,
132 .read = led_read,
133 .write = led_write,
134 .release = led_release,
135 };
136
137 /*
138 * @description : 驱动出口函数
139 * @param : 无
140 * @return : 无
141 */
142 static int __init led_init(void)
143 {144 int ret = 0;
145 const char *str;
146
147 /* 初始化信号量 */
148 sema_init(&gpioled.sem, 1);
......
250 }
251
252 /*
253 * @description : 驱动出口函数
254 * @param : 无
255 * @return : 无
256 */
257 static void __exit led_exit(void)
258 {259 /* 注销字符设备驱动 */
260 cdev_del(&gpioled.cdev); /* 删除cdev */
261 unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT);
262 device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid);/* 注销设备 */
263 class_destroy(gpioled.class); /* 注销类 */
264 gpio_free(gpioled.led_gpio); /* 释放GPIO */
265 }
266
267 module_init(led_init);
268 module_exit(led_exit);
269 MODULE_LICENSE("GPL");
270 MODULE_AUTHOR("ALIENTEK");
271 MODULE_INFO(intree, "Y");
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60~66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124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148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A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28.1.1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。
28.3.2 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semaphore.o，Makefile内容如下所示：
示例代码28.1.2.1 Makefile文件
1 KERNELDIR := /home/zuozhongkai/linux/my_linux/linux-5.4.31
......
4 obj-m := semaphore.o
......
11 clean:
12 $(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-none-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/5.4.31目录中，重启开发板，进入到目录lib/modules/5.4.31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28.1.2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28.3.2.1所示：
图28.3.2.1 命令运行过程
如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：
rmmod semaphore.ko
28.4 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。
28.4.1 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)：
示例代码28.4.1.1 mutex.c文件代码
1 #include <linux/types.h>
......
18 /***************************************************************
19 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
20 文件名 : gpioled.c
21 作者 : 正点原子Linux团队
22 版本 : V1.0
23 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。
24 其他 : 无
25 论坛 : www.openedv.com
26 日志 : 初版V1.0 2021/1/4 正点原子Linux团队创建
27 ***************************************************************/
28 #define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
29 #define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
30 #define LEDOFF 0 /* 关灯 */
31 #define LEDON 1 /* 开灯 */
32
33 /* gpioled设备结构体 */
34 struct gpioled_dev{35 dev_t devid; /* 设备号 */
36 struct cdev cdev; /* cdev */
37 struct class *class; /* 类 */
38 struct device *device; /* 设备 */
39 int major; /* 主设备号 */
40 int minor; /* 次设备号 */
41 struct device_node *nd; /* 设备节点 */
42 int led_gpio; /* led所使用的GPIO编号 */
43 struct mutex lock; /* 互斥体 */
44 };
45
46 static struct gpioled_dev gpioled; /* led设备 */
47
48
49 /*
50 * @description : 打开设备
51 * @param – inode : 传递给驱动的inode
52 * @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
53 * 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
54 * @return : 0 成功;其他 失败
55 */
56 static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
57 {58 filp->private_data = &gpioled; /* 设置私有数据 */
59
60 /* 获取互斥体,可以被信号打断 */
61 if (mutex_lock_interruptible(&gpioled.lock)) {62 return -ERESTARTSYS;
63 }
64 #if 0
65 mutex_lock(&gpioled.lock); /* 不能被信号打断 */
66 #endif
67
68 return 0;
69 }
......
120 static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
121 {122 struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
123
124 /* 释放互斥锁 */
125 mutex_unlock(&dev->lock);
126 return 0;
127 }
128
129 /* 设备操作函数 */
130 static struct file_operations gpioled_fops = {131 .owner = THIS_MODULE,
132 .open = led_open,
133 .read = led_read,
134 .write = led_write,
135 .release = led_release,
136 };
137
138 /*
139 * @description : 驱动出口函数
140 * @param : 无
141 * @return : 无
142 */
143 static int __init led_init(void)
144 {145 int ret = 0;
146 const char *str;
147
148 /* 初始化互斥体 */
149 mutex_init(&gpioled.lock);
......
251 }
252
253 /*
254 * @description : 驱动出口函数
255 * @param : 无
256 * @return : 无
257 */
258 static void __exit led_exit(void)
259 {260 /* 注销字符设备驱动 */
261 cdev_del(&gpioled.cdev); /* 删除cdev */
262 unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT);
263 device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid);/* 注销设备 */
264 class_destroy(gpioled.class); /* 注销类 */
265 gpio_free(gpioled.led_gpio); /* 释放GPIO */
266 }
267
268 module_init(led_init);
269 module_exit(led_exit);
270 MODULE_LICENSE("GPL");
271 MODULE_AUTHOR("ALIENTEK");
272 MODULE_INFO(intree, "Y");
第43行，定义互斥体lock。
第60~66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125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149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28.1.1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。
28.4.2 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：
示例代码28.4.2.1 Makefile文件
1 KERNELDIR := /home/zuozhongkai/linux/my_linux/linux-5.4.31......
4 obj-m := mutex.o
......
11 clean:
12 $(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-none-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/5.4.31目录中，重启开发板，进入到目录lib/modules/5.4.31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28.3.2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
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