使用Linux信号量实现互斥点灯

1. 信号量介绍

信号量常用于控制对共享资源的访问，有计数型信号量和二值信号量之分。初始化时信号量值大于1的，就是计数型信号量，计数型信号量不能用于互斥访问，它允许多个线程同时访问共享资源。若要互斥访问共享资源，信号量的值就不能大于1，此时就是二值信号量

Linux内核使用semaphore结构体表示信号量，结构体内容如下所示：

struct semaphore {
    raw_spinlock_t lock;
    unsigned int count;
    struct list_head wait_list;
};

信号量操作相关API函数如下图示：

2. 信号量实例

本实例中使用信号量来实现对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

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，在release函数中释放信号量

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，不需要做任何修改

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sema.c，对部分代码进行修改，其余保持不变

在设备结构体中，添加信号量

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
    struct semaphore sem;      //信号量
};

struct gpioled_dev gpioled;    //定义led设备

打开设备时，获取信号量

static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp){
    filp->private_data = &gpioled; //设置私有数据

    if(down_interruptible(&gpioled.sem)){
        return -ERESTARTSYS;     //进入休眠后可被信号打断
    } 
#if 0
    down(&gpioled.sem);          //休眠后不能被信号打断
#endif
    return 0;
}

关闭设备时，释放信号量

static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp){
    struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
    up(&dev->sem);     //释放信号量，信号量值加1
    return 0;
}

驱动入口函数中，对信号量进行初始化

static int __init led_init(void){
    int ret = 0;
    /* 初始化信号量 */
    sema_init(&gpioled.sem, 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程序，并重命名为semaApp.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命令编译

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

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时，第二个应用程序会进入休眠，等前面的应用程序运行完后，第二个应用程序会接着运行

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
# 打开LED后，每隔5秒会输出一行App running times
./semaApp /dev/gpioled 1&    # &表示在后台运行APP

#在LED被占用期间，再次操作LED，会因为获取信号量失败而进入休眠状态
#等前一条命令运行完并释放信号量后才能获取LED使用权
./semaApp /dev/gpioled 0