Linux 驱动开发基础知识——APP 怎么读取按键值（十二）

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文章介绍：

🎉本篇文章对Linux驱动基础学习的相关知识进行分享！🥳🥳🥳

在做单片机开发时，要读取 GPIO 按键，我们通常是执行一个循环，不断地检测 GPIO 引脚电平有没有发生变化。但是在 Linux 系统中，读取 GPIO 按键要考虑到效率，引入了很多种方法：查询方式(非阻塞)、休眠-唤醒(阻塞方式)、 poll 方式、异步通知方式。

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目录：

一、APP 怎么读取按键值

    在做**单片机开发**时，要读取 GPIO 按键，我们通常是执行一个循环，不断地检测 GPIO 引脚电平有没有发生变化。但是在 **Linux 系统**中，读取 GPIO 按键要考虑到效率，引入了很多种方法：**查询方式(非阻塞)**、**休眠-唤醒(阻塞方式)**、 **poll 方式**、**异步通知方式**。这 4 种方法并不仅仅用于 GPIO 按键，在所有的 APP 调用驱动程序过程中，都是使用这些方法。通过这 4 种方式的学习，我们可以掌握如下知识：

1.1 驱动的基本技能：

** **中断、休眠、唤醒、poll 等机制。

    这些**基本技能是驱动开发的基础**，其他大型驱动复杂的地方是它的框架及设计思想，但是基本技术就这些。

1.2 APP 开发的基本技能：

  **  阻塞 、非阻塞、休眠、poll、异步通知**。

二、妈妈怎么知道孩子醒了

妈妈怎么知道卧室里小孩醒了？

2.1 时不时进房间看一下：查询方式

    简单，但是累

2.2 进去房间陪小孩一起睡觉，小孩醒了会吵醒她：休眠-唤醒

    不累，但是妈妈干不了活了

2.3 妈妈要干很多活，但是可以陪小孩睡一会，定个闹钟：poll 方式

     要浪费点时间，但是可以继续干活。

     妈妈要么是被小孩吵醒，要么是被闹钟吵醒。

2.4 妈妈在客厅干活，小孩醒了他会自己走出房门告诉妈妈：异步通知

** **妈妈、小孩互不耽误

这 4 种方法没有优劣之分，在不同的场合使用不同的方法。

三、APP 读取按键的 4 种方法

APP 去读取按键和举例的场景很相似，也有 4 种方法：

查询方式 休眠-唤醒方式 poll 方式 异步通知方式

第** 2、3、4 种方法，都涉及中断服务程序。中断，就像小孩醒了会哭闹一样， 中断不经意间到来，它会做某些事情：唤醒 APP、向 APP 发信号**。

所以，在按键驱动程序中，中断是核心。

    实际上，中断无论是在单片机还是在 Linux 中都很重要。在 Linux 中，**中断的知识还涉及进程、线程等**。 

**写一个驱动程序的套路 **

写一个驱动程序的套路

3.1 查询方式

这种方法最简单：和之前的LED驱动程序类似，之前是写引脚来改变高低电平，现在我们是不断读取引脚来查询是否发生电平的变化

    驱动程序中**构造、注册一个 file_operations 结构体**，里面提供有对应的** open,read 函数**。        

    APP 调用 open 时，导致驱动中对应的 open 函数被调用，在里面配置 GPIO 为输入引脚。

    APP 调用 read 时，导致驱动中对应的 read 函数被调用，它读取寄存器，把引脚状态直接返回给 APP。

3.2 休眠-唤醒方式

驱动程序中构造、注册一个 file_operations 结构体，里面提供有对应的 open,read 函数。

    APP 调用 open 时，导致驱动中对应的 open 函数被调用，在里面配置 GPIO 为输入引脚；**并且注册 GPIO 的中断处理函数**。

    APP 调用 read 时，导致驱动中对应的 read 函数被调用，如果**有按键数据则直接返回给 APP**；**否则 APP 在内核态休眠**。

    当用户按下按键时，**GPIO 中断被触发**，导致**驱动程序之前注册的中断服务程序**被执行。它会记录按键数据，并唤醒休眠中的 APP。

    **APP 被唤醒后继续在内核态运行**，即继续执行驱动代码，把按键数据返回给 APP(的用户空间)。

3.3 poll 方式

    上面的**休眠-唤醒方式有个缺点**：如果用户一直没操作按键，那么 APP 就会永远休眠。 我们可以**给 APP 定个闹钟**，这就是 poll 方式。

驱动程序中构造、注册一个 file_operations 结构体，里面提供有对应的** open,read,poll 函数**。

    APP 调用 open 时，导致驱动中对应的 open 函数被调用，在里面配置 GPIO 为输入引脚；**并且注册 GPIO 的中断处理函数。**

    APP 调用** poll 或 select 函数**，意图是“**查询”**是否有数据，这 2 个 函数都可以**指定一个超时时间**，即在这段时间内没有数据的话就返回错误。这会导致驱动中对应的 poll 函数被调用，如果有按键数据则直接返回给 APP；否则 APP 在内核态休眠一段时间。

    当用户**按下按键**时，**GPIO 中断被触发**，导致驱动程序之前注册的中断服务程序被执行。它会记录按键数据，并唤醒休眠中的 APP。

    如果用户没**按下按键**，但是**超时时间到了**，内核也会唤醒 APP。

    所以 **APP 被唤醒有 2 种原因**：**用户操作了按键**，**超时**。被唤醒的 APP 在内核态继续运行，即继续执行驱动代码，把“**状态**”返回给 APP(的用户空间)。

    APP 得到 **poll/select 函数的返回结果后**，如果确认是有数据的，则再调用 **read 函数**，这会导致驱动中的 read 函数被调用，这时驱动程序中含有数据，会直接返回数据。

3.4 异步通知方式

3.4.1 异步通知的原理：发信号

异步通知的实现原理是：内核给 APP 发信号。信号有很多种，这里发的是 SIGIO。

驱动程序给应用程序发信号，应用程序收到信号后执行它的信号处理函数

驱动程序中构造、注册一个file_operations 结构体，里面提供有对应的 open,read,fasync函数。

◼ APP 调用 open 时，导致驱动中对应的 open 函数被调用，在里面配置 GPIO 为输入引脚；并且注册 GPIO 的中断处理函数。

◼ APP 给信号 SIGIO 注册自己的处理函数：my_signal_fun。

◼ APP 调用** fcntl 函数，把驱动程序的 flag 改为 FASYNC，这会导致驱动程序的 fasync 函数被调用，它只是简单记录进程 PID**。

◼ 当用户按下按键时，GPIO 中断被触发，导致驱动程序之前注册的中断服务程序被执行。它会记录按键数据，然后给进程 PID 发送 SIGIO 信号。

◼ APP 收到信号后会被打断，先执行信号处理函数：在信号处理函数中可以去调用 read 函数读取按键值。

◼ 信号处理函数返回后，APP 会继续执行原先被打断的代码。

3.4.2 应用程序之间发信号示例代码

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>
void my_sig_func(int signo)
{
    printf("get a signal : %d\n", signo);
}

int main(int argc, char **argv)
{
    int i = 0;
    
    signal(SIGIO, my_sig_func);        //事件处理函数，如果这里没有事件处理函数，则收到应用程序的信号就会停下退出，如果有事件处理函数，则收到应用程序后先执行事件处理函数再继续执行不会停止进程
    
    while (1) 
    {
        printf("Hello, world %d!\n", i++);    
        sleep(2);
    }
    
    return 0;
}

第 13 行注册信号处理函数

第 15 行就是一个无限循环。在它运行期间，你可以 用另一个 APP 发信号给它。

$ gcc -o signal signal.c // 编译程序
$ ./signal & // 后台运行
$ ps -A | grep signal // 查看进程 ID，假设是 9527
$ kill -SIGIO 9527 // 给这个进程发信号

book@100ask:~/05_嵌入式Linux驱动开发基础知识/source/03_signal_example$ gcc -o signal signal.c
book@100ask:~/05_嵌入式Linux驱动开发基础知识/source/03_signal_example$ ./signal

重新开一个进程查询ID

book@100ask:~$ ps -A

book@100ask:~$ kill -SIGIO 4491

这样另一边的进程就收到信息了

四、驱动程序提供能力，不提供策略

    我们的驱动程序可以实现上述 4 种提供按键的方法，但是驱动程序**不应该限制 APP 使用哪种方法**。

    这就是驱动设计的一个原理：**提供能力，不提供策略**。就是说，你想用哪种方法都行，驱动程序都可以提供；但是驱动程序不能限制你使用哪种方法  。     

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