linux驅動編寫之poll機制

1、概念

一、poll情景描述

      以按鍵驅動爲例進行說明，用阻塞的方式打開按鍵驅動文件/dev/buttons，應用程序使用read()函數來讀取按鍵的鍵值。這樣作的效果是：若是有按鍵按下了，調用該read()函數的進程，就成功讀取到數據，應用程序獲得繼續執行；假若沒有按鍵按下，則要一直處於休眠狀態，等待這有按鍵按下這樣的事件發生。

      這種功能在一些場合是適用的，可是並不能知足咱們全部的須要，有時咱們須要一個時間節點。假若沒有按鍵按下，那麼超過多少時間以後，也要返回超時錯誤信息，進程可以繼續獲得執行，而不是沒有按鍵按下，就永遠休眠。這種例子其實還有不少，比方說兩人相親，男方等待女方給個肯定相處的信，男方不可能由於女方不給信，就永遠等待下去，雙方須要一個時間節點。這個時間節點，就是說超過這個時間以後，不能再等了，程序還要繼續運行，須要採起其餘的行動來解決問題。

example：  

      單片機編程，等待IIC設備一個事件的發生，若是在容許的時間內發生了就返回1（SUCCESS），不然返回0（ERROR）。

uint8_t I2C_WaitForEvent(I2C_TypeDef* I2Cx, uint32_t I2C_EVENT,int32_t delay)
{    

    while(!I2C_CheckEvent(I2Cx, I2C_EVENT) && (delay-- > 0));
    
    if(delay < 0){
        return 0;
    }
    
    return 1;
}

      此段函數代碼能夠這樣來調用，以下：

int8_t I2C_EE_PageWrite(u8* pBuffer, u16 WriteAddr, u8 NumByteToWrite)
{
      .............
      if(I2C_WaitForEvent(I2C1, I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED, 100000) != 1){
            return -1;
      }
      ............
}

      這個例子是STM32單片機寫i2cflash--AT24C02,可見上述的頁寫函數調用的等待字節傳輸完成函數（I2C_EVENT_MASTER_BYTE_TRANSMITTED）

，若是在限定的時間內(CPU將100000減到0)，尚未成功寫入，那麼就將返回超時錯誤，頁寫函數也會返回寫入失敗的錯誤信息。以後，任務從新獲得了運行。

      對於單片機這樣一般單任務運行的情況，必須採起這樣的措施。若是沒有超時限制，那麼程序將陷入死機，不能再繼續運行。

二、linux應用程序poll的使用

     對於相似的場景，linux系統使用poll功能來解決這樣的問題。並且，與上述單片機等待方式不一樣，linux系統再調用poll()函數時候，若是沒有發生須要的事件，那麼進程進入休眠。若是在限定的時間內獲得須要的事件，那麼成功返回，若是沒有則返回超時錯誤信息。

     可見，等待期間將進程休眠，利用事件驅動來喚醒進程，將更能提升CPU的效率。下面，以一個應用例程來講明poll的應用程序使用方法：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <poll.h>

int main(int argc, char **argv)
{
    int i;
    int ret;
    int fd;
    unsigned char keys_val;
    struct pollfd fds[1];
    
    fd = open("/dev/buttons", 0);  // 打開設備
    if (fd < 0) {
        printf("Can't open /dev/buttons\n");
        return -1;
    }

    fds[0].fd = fd;
    fds[0].events = POLLIN;
    
    while (1) {
        ret = poll(fds,1, 5000);
        if(ret == 0)
        {
            printf("time out!\n");
        }
        else
        {
            read(fd, &keys_val, sizeof(keys_val));
            printf("keys_val = 0x%x\n",keys_val);
        }
    }
    
    close(fd);
    return 0;    
}

       例程實現的功能是這樣的：用poll()函數監測按鍵按下的事件，若是按下了就將鍵值打印出來；若是超過5S，尚未按鍵按下，就打印出超時信息。

三、poll()函數

      函數原型

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout)

     輸入參數

fds         能夠傳遞多個結構體，也就是說能夠監測多個驅動設備所產生的事件，只要有一個產生了請求事件，就能當即返回

　　　　struct pollfd {
      　　　　int fd;                  /* 文件描述符 */
      　　　　short events;        /* 請求的事件類型，監視驅動文件的事件掩碼 */
      　　　　short revents;       /* 驅動文件實際返回的事件 */
　　　　} ;

nfds       監測驅動文件的個數

timeout  超時時間，單位爲ms 

     事件類型events 能夠爲下列值：

POLLIN           有數據可讀
POLLRDNORM 有普通數據可讀，等效與POLLIN
POLLPRI         有緊迫數據可讀
POLLOUT        寫數據不會致使阻塞
POLLER          指定的文件描述符發生錯誤
POLLHUP        指定的文件描述符掛起事件
POLLNVAL      無效的請求，打不開指定的文件描述符

     返回值

有事件發生        返回revents域不爲0的文件描述符個數（也就是說事件發生，或者錯誤報告）

超時                返回0；

失敗　　          返回-1，並設置errno爲錯誤類型

2、驅動實現方法

/* 定義一個等待隊列，這個等待隊列其實是由中斷驅動的，當中斷髮生時，會令掛接到這個等待隊列的休眠進程喚醒 */
static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(button_waitq);

static unsigned drivers_poll(struct file *file, poll_table *wait)
{
    unsigned int mask = 0;
    poll_wait(file, &button_waitq, wait); /* 將進程掛接到button_waitq等待隊列下 */

    /* 根據實際狀況，標記事件類型 */ if (ev_press)
        mask |= POLLIN | POLLRDNORM;

    /* 若是mask爲0，那麼證實沒有請求事件發生；若是非零說明有時間發生 */ return mask;
}

      上述代碼展現了一個poll()函數功能，具體對應的底層驅動實現細節。利用這樣的框架，咱們能夠寫出相似驅動的poll功能。可是，這個框架很難理解，不知道爲何這樣編寫？爲此，咱們須要瞭解linux系統poll功能實現的機制。

3、linux內核poll實現機制

     從應用程序調用poll()函數開始，一直到調用drivers_poll函數，期間的過程很複雜，撿主要的內容列出來：

app: poll
      |
drv:sys_poll
      |
      — do_sys_poll(struct pollfd __user * ufds, unsigned int nfds, struct timespec * end_time)
        |   
        - poll_initwait(&table);  >  實際效果：令函數指針 table.pt.qproc = __pollwait，這個函數指針最終會傳遞給poll_wait函數調用中的wait->qproc
        |
        - do_poll(nfds, head, &table, end_time);
        |
        _ for ( ; ; )
          {
                for (; pfd != pfd_end; pfd++) {    /* 能夠監測多個驅動設備所產生的事件 */ if (do_pollfd(pfd, pt)) {  
                      |
                      _  mask = file->f_op->poll(file, pwait); > 實際效果：執行咱們寫的drivers_poll(file,pwait)

                                |
                                 _  poll_wait(file, &button_waitq, wait); > 實際效果：執行__pollwait(file, &button_waitq, wait)，也就是將
 進程掛接到button_waitq等待隊列下
                                |
                          —  mask賦值 ; return mask; /* 返回事件類型 */

                         pollfd->revents = mask;    /* 將實際事件類型返回 */
                         count++; pt = NULL; 
                     } 
                 } 
               if (count || timed_out) /* 若是有事件發生，或者超時，則跳出poll */ 
 break; 
               if (!poll_schedule_timeout(wait, TASK_INTERRUPTIBLE, to, slack)) /* 若是沒有事件發生，那麼陷入休眠狀態 */ 
                  timed_out = 1; 
          }

      因而可知，咱們的drivers_poll()函數，是系統在執行sys_poll()過程當中的一個調用，調用的目的是「將進程掛接到等待隊列下」和「返回事件類型mask」。當已經發生了請求事件，那麼經過標記mask非0，if (do_pollfd(pfd, pt))判斷爲真，令count++，從而能夠直接令poll()函數成功返回。若是尚未發生請求的事件，那麼mask被標記爲0，進程將經過函數poll_schedule_timeout()陷入休眠狀態。一旦發生了請求的事件，由於以前已經將進程掛接到等待隊列下，因此進程將被喚醒，從新執行drivers_poll()，而顯然此時可以成功返回。

備註：分析的源碼版本爲linux-2.6.30.4。

 

參考資料：韋東山linux教學視頻           

              linux poll函數