使用Linux原子操作实现互斥点灯

1. 原子操作介绍

Linux原子操作是指不能再进一步分割的操作，一般原子操作用于变量或者位操作。Linux内核定义了atomic_t结构体来完成整型数据的原子操作，此结构体定义在include/linux/types.h文件中

typedef struct {
    int counter;
} atomic_t;

原子操作相关 API 函数如下图示：

2. 原子操作实例

本实例中使用原子操作来实现对LED设备的互斥访问，即一次只允许一个应用程序使用LED灯，代码是在pinctrl与gpio子系统下的字符设备驱动框架一文的基础上完成的

2.1 修改设备树文件

设备树文件修改与pinctrl与gpio子系统下的字符设备驱动框架文中的修改方法一样，此处无需修改

2.2 编写驱动程序

拷贝pinctrl与gpio子系统下的字符设备驱动框架文中的gpioled.c驱动文件，并重命名为atomicled.c，对部分代码进行修改，其余保持不变

在设备结构体中，添加原子变量

struct gpioled_dev{
    dev_t devid;                //设备号
    struct cdev cdev;           //cdev字符设备
    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;               //所使用的gpio编号
    atomic_t lock;              //原子变量
};

struct gpioled_dev gpioled;     //定义led设备

打开设备时，判断原子变量的值来检查LED有没有被占用

static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp){
    if(!atomic_dec_and_test(&gpioled.lock)){
        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;
}

关闭设备时，释放原子变量

static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp){
    struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
    atomic_inc(&dev->lock);      //释放原子变量
}

驱动入口函数中，对原子变量进行初始化

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");
    ......
    ......
}

2.3 编写测试程序

拷贝pinctrl与gpio子系统下的字符设备驱动框架文中的gpioledApp.c测试程序，并重命名为atomicApp.c，添加模拟占用LED的代码，使测试程序在获取LED驱动使用权后会持续一段时间，添加如下代码

while(1){
    sleep(5);
    cnt++;
    printf("App running times: %d\\r\\n",cnt);
    if(cnt >= 5)
        break;
}

2.4 编译测试

编译驱动程序：当前目录下创建Makefile文件，并make编译

KERNELDIR := /home/andyxi/linux/kernel/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_andyxi
CURRENT_PATH := $(shell pwd)
obj-m := atomicled.o

build: kernel_modules

kernel_modules:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) modules
clean:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean

编译测试程序：无需内核参与，直接编译即可

arm-linux-gnueabihf-gcc atomicApp.c -o atomicApp

运行测试：启动开发板后，加载驱动模块，操作LED灯后，相应时间内再次操作LED会提示失败，说明互斥点灯成功

depmod                           #第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe gpioled.ko              #加载驱动
# 打开LED后，每隔5秒会输出一行App running times
./atomicApp /dev/gpioled 1&      # &表示在后台运行APP

#在LED被占用期间，再次操作LED，会输出打开驱动失败
./atomicApp /dev/gpioled 0