字符驱动程序之——poll机制

关于这个韦老师给了一个简单的参考文档:

poll机制分析

韦东山 2009.12.10

所有的系统调用,基本都可以在它的名字前加上“sys_”前缀,这就是它在内核中对应的函数。比如系统调用open、read、write、poll,与之对应的内核函数为:sys_open、sys_read、sys_write、sys_poll。

一、内核框架:

对于系统调用poll或select,它们对应的内核函数都是sys_poll。分析sys_poll,即可理解poll机制。

  1. sys_poll函数位于fs/select.c文件中,代码如下:

asmlinkage long sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds,

long timeout_msecs)

{

s64 timeout_jiffies;

if (timeout_msecs > 0) {

#if HZ > 1000

/* We can only overflow if HZ > 1000 */

if (timeout_msecs / 1000 > (s64)0x7fffffffffffffffULL / (s64)HZ)

timeout_jiffies = -1;

else

#endif

timeout_jiffies = msecs_to_jiffies(timeout_msecs);

} else {

/* Infinite (< 0) or no (0) timeout */

timeout_jiffies = timeout_msecs;

}

return do_sys_poll(ufds, nfds, &timeout_jiffies);

}

它对超时参数稍作处理后,直接调用do_sys_poll。

  1. do_sys_poll函数也位于位于fs/select.c文件中,我们忽略其他代码:

int do_sys_poll(struct pollfd __user *ufds, unsigned int nfds, s64 *timeout)

{

……

poll_initwait(&table);

……

fdcount = do_poll(nfds, head, &table, timeout);

……

}

poll_initwait函数非常简单,它初始化一个poll_wqueues变量table:

poll_initwait > init_poll_funcptr(&pwq->pt, __pollwait); > pt->qproc = qproc;

即table->pt->qproc = __pollwait,__pollwait将在驱动的poll函数里用到。

  1. do_sys_poll函数位于fs/select.c文件中,代码如下:

static int do_poll(unsigned int nfds,  struct poll_list *list,

struct poll_wqueues *wait, s64 *timeout)

{

01 ……

02   for (;;) {

03 ……

04                  if (do_pollfd(pfd, pt)) {

05                         count++;

06                         pt = NULL;

07                 }

08 ……

09      if (count || !*timeout || signal_pending(current))

10          break;

11      count = wait->error;

12      if (count)

13          break;

14

15      if (*timeout < 0) {

16          /* Wait indefinitely */

17          __timeout = MAX_SCHEDULE_TIMEOUT;

18      } else if (unlikely(*timeout >= (s64)MAX_SCHEDULE_TIMEOUT-1)) {

19          /*

20          * Wait for longer than MAX_SCHEDULE_TIMEOUT. Do it in

21          * a loop

22          */

23          __timeout = MAX_SCHEDULE_TIMEOUT - 1;

24          *timeout -= __timeout;

25      } else {

26          __timeout = *timeout;

27          *timeout = 0;

28      }

29

30      __timeout = schedule_timeout(__timeout);

31      if (*timeout >= 0)

32          *timeout += __timeout;

33  }

34  __set_current_state(TASK_RUNNING);

35  return count;

36 }

分析其中的代码,可以发现,它的作用如下:

①    从02行可以知道,这是个循环,它退出的条件为:

  1. 09行的3个条件之一(count非0,超时、有信号等待处理)

count非0表示04行的do_pollfd至少有一个成功。

  1. 11、12行:发生错误

②    重点在do_pollfd函数,后面再分析

③    第30行,让本进程休眠一段时间,注意:应用程序执行poll调用后,如果①②的条件不满足,进程就会进入休眠。那么,谁唤醒呢?除了休眠到指定时间被系统唤醒外,还可以被驱动程序唤醒──记住这点,这就是为什么驱动的poll里要调用poll_wait的原因,后面分析。

  1. do_pollfd函数位于fs/select.c文件中,代码如下:

static inline unsigned int do_pollfd(struct pollfd *pollfd, poll_table *pwait)

{

……

if (file->f_op && file->f_op->poll)

mask = file->f_op->poll(file, pwait);

……

}

可见,它就是调用我们的驱动程序里注册的poll函数。

二、驱动程序:

驱动程序里与poll相关的地方有两处:一是构造file_operation结构时,要定义自己的poll函数。二是通过poll_wait来调用上面说到的__pollwait函数,pollwait的代码如下:

static inline void poll_wait(struct file * filp, wait_queue_head_t * wait_address, poll_table *p)

{

if (p && wait_address)

p->qproc(filp, wait_address, p);

}

p->qproc就是__pollwait函数,从它的代码可知,它只是把当前进程挂入我们驱动程序里定义的一个队列里而已。它的代码如下:

static void __pollwait(struct file *filp, wait_queue_head_t *wait_address,

poll_table *p)

{

struct poll_table_entry *entry = poll_get_entry(p);

if (!entry)

return;

get_file(filp);

entry->filp = filp;

entry->wait_address = wait_address;

init_waitqueue_entry(&entry->wait, current);

add_wait_queue(wait_address, &entry->wait);

}

执行到驱动程序的poll_wait函数时,进程并没有休眠,我们的驱动程序里实现的poll函数是不会引起休眠的。让进程进入休眠,是前面分析的do_sys_poll函数的30行“__timeout = schedule_timeout(__timeout)”。

poll_wait只是把本进程挂入某个队列,应用程序调用poll > sys_poll > do_sys_poll > poll_initwait,do_poll > do_pollfd > 我们自己写的poll函数后,再调用schedule_timeout进入休眠。如果我们的驱动程序发现情况就绪,可以把这个队列上挂着的进程唤醒。可见,poll_wait的作用,只是为了让驱动程序能找到要唤醒的进程。即使不用poll_wait,我们的程序也有机会被唤醒:chedule_timeout(__timeout),只是要休眠__time_out这段时间。

现在来总结一下poll机制:

1. poll > sys_poll > do_sys_poll > poll_initwait,poll_initwait函数注册一下回调函数__pollwait,它就是我们的驱动程序执行poll_wait时,真正被调用的函数。

2. 接下来执行file->f_op->poll,即我们驱动程序里自己实现的poll函数

它会调用poll_wait把自己挂入某个队列,这个队列也是我们的驱动自己定义的;

它还判断一下设备是否就绪。

3. 如果设备未就绪,do_sys_poll里会让进程休眠一定时间

4. 进程被唤醒的条件有2:一是上面说的“一定时间”到了,二是被驱动程序唤醒。驱动程序发现条件就绪时,就把“某个队列”上挂着的进程唤醒,这个队列,就是前面通过poll_wait把本进程挂过去的队列。

5. 如果驱动程序没有去唤醒进程,那么chedule_timeout(__timeou)超时后,会重复2、3动作,直到应用程序的poll调用传入的时间到达。

还是那句话,现在作为入门阶段,先知道有那么回事,然后会依样画葫芦使用某些函数,最后肯定是需要阅读内核源码的,只有看了源码,才能够知道整个linux内核是怎样运作的,只是一来就分析内核相当于先学跑步再学走路一样难度太大。

那么我们为什么需要poll这种机制和怎么写程序实现这样的机制呢?(这就是我们目前最需要学习的)

之前的按键中断程序中,我们在没有按键按下的时候让系统进程进入了休眠状态,这样就会出现一个,一个任务被一直阻塞,那么阻塞处后面的代码都无法执行。这就像使用freertos时,挂起某个任务时,这个任务就停止了,可我们想要一种超时等待的机制,比如3s没有按键按下,继续执行后面的任务,这在freertos中有对应的事件函数来实现了,在linux驱动开发中,利用poll机制就可以实现这样的效果。

体现在代码上就是:

字符驱动程序之——poll机制

上面的ev_press在有按键按下的时候为1,即if条件满足,返回的mask代表什么呢?这就要看poll机制中的后面或上的那两个宏是干什么的了。

POLLIN
有数据可读。
POLLRDNORM
有普通数据可读。
POLLRDBAND
有优先数据可读。
POLLPRI
有紧迫数据可读。
POLLOUT
写数据不会导致阻塞。
POLLWRNORM
写普通数据不会导致阻塞。
POLLWRBAND
写优先数据不会导致阻塞。
POLLMSG
SIGPOLL 消息可用。

此外,revents域中还可能返回下列事件:
POLLER
指定的文件描述符发生错误。
POLLHUP
指定的文件描述符挂起事件。
POLLNVAL
指定的文件描述符非法。

字符驱动程序之——poll机制

DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD是一个宏,

(name) -- 生成一个等待队列头wait_queue_head_t,名字为name
-----------------------------------------------------------------
#define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD (name)                            /
    wait_queue_head_t name = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name)

#define __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER (name) {                    /
    .lock       = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(name.lock),               /
    .task_list = { &(name).task_list, &(name).task_list } }

typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t ;
struct __wait_queue_head {
    spinlock_t lock;
    struct list_head task_list;
};

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <stdio.h>
#include <poll.h> /* forthdrvtest
*/
int main(int argc, char **argv)
{
int fd;
unsigned char key_val;
int ret; struct pollfd fds[]; fd = open("/dev/buttons", O_RDWR);
if (fd < )
{
printf("can't open!\n");
} fds[].fd = fd;
fds[].events = POLLIN;//有数据可读的事件,这里对应有按键按下
while ()
{
ret = poll(fds, , );//超时等待5s,这个调用回阻塞任务,可是有按键按下或者超时时间到了会继续执行后面的代码
if (ret == )
{
printf("time out\n");
}
else
{
read(fd, &key_val, );
printf("key_val = 0x%x\n", key_val);
}
} return ;
}

字符驱动程序之——poll机制

不按键的时候,5s打印一次超时消息,有按键的时候,立即响应,也几乎不占用cpu资源。

字符驱动程序之——poll机制

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