「正点原子Linux连载」第四十八章Linux并发与竞争实验

1）实验平台：正点原子Linux开发板
2）摘自《正点原子I.MX6U嵌入式Linux驱动开发指南》
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第四十八章Linux并发与竞争实验
在上一章中我们学习了Linux下的并发与竞争，并且学习了四种常用的处理并发和竞争的机制：原子操作、自旋锁、信号量和互斥体。本章我们就通过四个实验来学习如何在驱动中使用这四种机制。

48.1 原子操作实验本实验对应的例程路径为：开发板光盘->2、Linux驱动例程->7_atomic。
本例程我们在第四十五章的gpioled.c文件基础上完成。在本节使用中我们使用原子操作来实现对LED这个设备的互斥访问，也就是一次只允许一个应用程序可以使用LED灯。
48.1.1 实验程序编写1、修改设备树文件
因为本章实验是在第四十五章实验的基础上完成的，因此不需要对设备树做任何的修改。
2、LED驱动修改
本节实验在第四十五章实验驱动文件gpioled.c的基础上修改而来。新建名为"7_atomic"的文件夹，然后在7_atomic文件夹里面创建vscode工程，工作区命名为"atomic"。将5_gpioled实验中的gpioled.c复制到7_atomic文件夹中，并且重命名为atomic.c。本节实验重点就是使用atomic来实现一次只能允许一个应用访问LED，所以我们只需要在atomic.c文件源码的基础上加上添加atomic相关代码即可，完成以后的atomic.c文件内容如下所示：
示例代码48.1.1.1 atomic.c文件代码段
1 #include <linux/types.h>
2 #include <linux/kernel.h>
3 #include <linux/delay.h>
4 #include <linux/ide.h>
5 #include <linux/init.h>
6 #include <linux/module.h>
7 #include <linux/errno.h>
8 #include <linux/gpio.h>
9 #include <linux/cdev.h>
10 #include <linux/device.h>
11 #include <linux/of.h>
12 #include <linux/of_address.h>
13 #include <linux/of_gpio.h>
14 #include <asm/mach/map.h>
15 #include <asm/uaccess.h>
16 #include <asm/io.h>
17/***************************************************************
18 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
19文件名 : atomic.c
20作者 : 左忠凯
21版本 : V1.0
22描述 : 原子操作实验，使用原子变量来实现对实现设备的互斥访问
23其他 : 无
24论坛 : www.openedv.com
25日志 : 初版V1.0 2019/7/18 左忠凯创建
26 ***************************************************************/
27 #define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
28 #define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
29 #define LEDOFF 0 /* 关灯 */
30 #define LEDON 1 /* 开灯 */
31
32/* gpioled设备结构体 */
33struct gpioled_dev{
34 dev_t devid; /* 设备号 */
35struct cdev cdev; /* cdev */
36struct class *class; /* 类 */
37struct device *device; /* 设备 */
38int major; /* 主设备号 */
39int minor; /* 次设备号 */
40struct device_node *nd; /* 设备节点 */
41int led_gpio; /* led所使用的GPIO编号 */
42 atomic_t lock; /* 原子变量 */
43};
44
45struct gpioled_dev gpioled;/* led设备 */
46
47/*
48 * @description : 打开设备
49 * @param – inode : 传递给驱动的inode
50 * @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
51 * 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
52 * @Return : 0 成功;其他失败
53 */
54staticint led_open(struct inode *inode,struct file *filp)
55{
56/* 通过判断原子变量的值来检查LED有没有被别的应用使用 */
57if(!atomic_dec_and_test(&gpioled.lock)){
58 atomic_inc(&gpioled.lock);/* 小于0的话就加1,使其原子变量等于0 */
59return-EBUSY;/* LED被使用，返回忙 */
60}
61
62 filp->private_data =&gpioled;/* 设置私有数据 */
63return0;
64}
65
66/*
67 * @description : 从设备读取数据
68 * @param - filp : 要打开的设备文件(文件描述符)
69 * @param - buf : 返回给用户空间的数据缓冲区
70 * @param – cnt : 要读取的数据长度
71 * @param - offt : 相对于文件首地址的偏移
72 * @return : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败
73 */
74static ssize_t led_read(struct file *filp,char __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
75{
76return0;
77}
78
79/*
80 * @description : 向设备写数据
81 * @param – filp : 设备文件，表示打开的文件描述符
82 * @param - buf : 要写给设备写入的数据
83 * @param - cnt : 要写入的数据长度
84 * @param – offt : 相对于文件首地址的偏移
85 * @return : 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败
86 */
87static ssize_t led_write(struct file *filp,constchar __user *buf,
size_t cnt, loff_t *offt)
88{
89int retvalue;
90unsignedchar databuf[1];
91unsignedchar ledstat;
92struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
93
94 retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);
95if(retvalue <0){
96 printk("kernel write failed!rn");
97return-EFAULT;
98}
99
100 ledstat = databuf[0]; /* 获取状态值 */
101
102if(ledstat == LEDON){
103 gpio_set_value(dev->led_gpio,0);/* 打开LED灯 */
104}elseif(ledstat == LEDOFF){
105 gpio_set_value(dev->led_gpio,1);/* 关闭LED灯 */
106}
107return0;
108}
109
110/*
111 * @description : 关闭/释放设备
112 * @param – filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
113 * @return : 0 成功;其他失败
114 */
115staticint led_release(struct inode *inode,struct file *filp)
116{
117struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
118
119/* 关闭驱动文件的时候释放原子变量 */
120 atomic_inc(&dev->lock);
121return0;
122}
123
124/* 设备操作函数 */
125staticstruct file_operations gpioled_fops ={
126.owner = THIS_MODULE,
127.open = led_open,
128.read = led_read,
129.write = led_write,
130.release = led_release,
131};
132
133/*
134 * @description : 驱动入口函数
135 * @param : 无
136 * @return : 无
137 */
138staticint __init led_init(void)
139{
140int ret =0;
141
142/* 初始化原子变量 */
143 atomic_set(&gpioled.lock,1);/* 原子变量初始值为1 */
144
145/* 设置LED所使用的GPIO */
146/* 1、获取设备节点：gpioled */
147 gpioled.nd = of_find_node_by_path("/gpioled");
148if(gpioled.nd ==NULL){
149 printk("gpioled node not find!rn");
150return-EINVAL;
151}else{
152 printk("gpioled node find!rn");
153}
154
155/* 2、获取设备树中的gpio属性，得到LED所使用的LED编号 */
156 gpioled.led_gpio = of_get_named_gpio(gpioled.nd,"led-gpio",0);
157if(gpioled.led_gpio <0){
158 printk("can't get led-gpio");
159return-EINVAL;
160}
161 printk("led-gpio num = %drn", gpioled.led_gpio);
162
163/* 3、设置GPIO1_IO03为输出，并且输出高电平，默认关闭LED灯 */
164 ret = gpio_direction_output(gpioled.led_gpio,1);
165if(ret <0){
166 printk("can't set gpio!rn");
167}
168
169/* 注册字符设备驱动 */
170/* 1、创建设备号 */
171if(gpioled.major){ /* 定义了设备号 */
172 gpioled.devid = MKDEV(gpioled.major,0);
173 register_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT,
GPIOLED_NAME);
174}else{ /* 没有定义设备号 */
175 alloc_chrdev_region(&gpioled.devid,0, GPIOLED_CNT,
GPIOLED_NAME);/* 申请设备号 */
176 gpioled.major = MAJOR(gpioled.devid);/* 获取分配号的主设备号 */
177 gpioled.minor = MINOR(gpioled.devid);/* 获取分配号的次设备号 */
178}
179 printk("gpioled major=%d,minor=%drn",gpioled.major,
gpioled.minor);
180
181/* 2、初始化cdev */
182 gpioled.cdev.owner = THIS_MODULE;
183 cdev_init(&gpioled.cdev,&gpioled_fops);
184
185/* 3、添加一个cdev */
186 cdev_add(&gpioled.cdev, gpioled.devid, GPIOLED_CNT);
187
188/* 4、创建类 */
189 gpioled.class = class_create(THIS_MODULE, GPIOLED_NAME);
190if(IS_ERR(gpioled.class)){
191return PTR_ERR(gpioled.class);
192}
193
194/* 5、创建设备 */
195 gpioled.device = device_create(gpioled.class,NULL,
gpioled.devid,NULL, GPIOLED_NAME);
196if(IS_ERR(gpioled.device)){
197return PTR_ERR(gpioled.device);
198}
199
200return0;
201}
202
203/*
204 * @description : 驱动出口函数
205 * @param : 无
206 * @return : 无
207 */
208staticvoid __exit led_exit(void)
209{
210/* 注销字符设备驱动 */
211 cdev_del(&gpioled.cdev);/* 删除cdev */
212 unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT);
213
214 device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid);
215 class_destroy(gpioled.class);
216}
217
218 module_init(led_init);
219 module_exit(led_exit);
220 MODULE_LICENSE("GPL");
221 MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");
第42行，原子变量lock，用来实现一次只能允许一个应用访问LED灯，led_init驱动入口函数会将lock的值设置为1。
第57~60行，每次调用open函数打开驱动设备的时候先申请lock，如果申请成功的话就表示LED灯还没有被其他的应用使用，如果申请失败就表示LED灯正在被其他的应用程序使用。每次打开驱动设备的时候先使用atomic_dec_and_test函数将lock减1，如果atomic_dec_and_test函数返回值为真就表示lock当前值为0，说明设备可以使用。如果atomic_dec_and_test函数返回值为假，就表示lock当前值为负数(lock值默认是1)，lock值为负数的可能性只有一个，那就是其他设备正在使用LED。其他设备正在使用LED灯，那么就只能退出了，在退出之前调用函数atomic_inc将lock加1，因为此时lock的值被减成了负数，必须要对其加1，将lock的值变为0。
第120行，LED灯使用完毕，应用程序调用close函数关闭的驱动文件，led_release函数执行，调用atomic_inc释放lcok，也就是将lock加1。
第143行，初始化原子变量lock，初始值设置为1，这样每次就只允许一个应用使用LED灯。
3、编写测试APP
新建名为atomicApp.c的测试APP，在里面输入如下所示内容：
示例代码48.1.1.2 atomicApp.c文件代码
1 #include "stdio.h"
2 #include "unistd.h"
3 #include "sys/types.h"
4 #include "sys/stat.h"
5 #include "fcntl.h"
6 #include "stdlib.h"
7 #include "string.h"
8/***************************************************************
9 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
10文件名 : atomicApp.c
11作者 : 左忠凯
12 版本 : V1.0
13描述 : 原子变量测试APP，测试原子变量能不能实现一次
14 只允许一个应用程序使用LED。
15其他 : 无
16使用方法 ：./atomicApp /dev/gpioled 0 关闭LED灯
17 ./atomicApp /dev/gpioled 1 打开LED灯
18论坛 : www.openedv.com
19日志 : 初版V1.0 2019/1/30 左忠凯创建
20 ***************************************************************/
21
22 #define LEDOFF 0
23 #define LEDON 1
24
25/*
26 * @description : main主程序
27 * @param - argc : argv数组元素个数
28 * @param - argv : 具体参数
29 * @return : 0 成功;其他失败
30 */
31int main(int argc,char*argv[])
32{
33 int fd, retvalue;
34 char*filename;
35 unsignedchar cnt =0;
36 unsignedchar databuf[1];
37
38 if(argc !=3){
39 printf("Error Usage!rn");
40 return-1;
41 }
42
43 filename = argv[1];
44
45 /* 打开beep驱动 */
46 fd = open(filename, O_RDWR);
47 if(fd <0){
48 printf("file %s open failed!rn", argv[1]);
49 return-1;
50 }
51
52 databuf[0]= atoi(argv[2]);/* 要执行的操作：打开或关闭 */
53
54 /* 向/dev/gpioled文件写入数据 */
55 retvalue = write(fd, databuf,sizeof(databuf));
56 if(retvalue <0){
57 printf("LED Control Failed!rn");
58 close(fd);
59 return-1;
60 }
61
62 /* 模拟占用25S LED */
63 while(1){
64 sleep(5);
65 cnt++;
66 printf("App running times:%drn", cnt);
67 if(cnt >=5)break;
68 }
69
70 printf("App running finished!");
71 retvalue = close(fd);/* 关闭文件 */
72 if(retvalue <0){
73 printf("file %s close failed!rn", argv[1]);
74 return-1;
75 }
76 return0;
77}
atomicApp.c中的内容就是在第四十五章的ledAPP.c的基础上修改而来的，重点是加入了第63~68行的模拟占用25秒LED的代码。测试APP在获取到LED灯驱动的使用权以后会使用25S，在使用的这段时间如果有其他的应用也去获取LED灯使用权的话肯定会失败！
48.1.2 运行测试1、编译驱动程序
编写Makefile文件，本章实验的Makefile文件和第四十章实验基本一样，只是将obj-m变量的值改为atomic.o，Makefile内容如下所示：
示例代码48.1.2.1 Makefile文件
1 KERNELDIR:= /home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
......
4 obj-m := atomic.o
......
11 clean:
12$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean
第4行，设置obj-m变量的值为atomic.o。
输入如下命令编译出驱动模块文件：
make-j32
编译成功以后就会生成一个名为"atomic.ko"的驱动模块文件。
2、编译测试APP
输入如下命令编译测试atomicApp.c这个测试程序：
arm-linux-gnueabihf-gcc atomicApp.c -o atomicApp
编译成功以后就会生成atomicApp这个应用程序。
3、运行测试
将上一小节编译出来的atomic.ko和atomicApp这两个文件拷贝到rootfs/lib/modules/4.1.15目录中，重启开发板，进入到目录lib/modules/4.1.15中，输入如下命令加载atomic.ko驱动模块：
depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe atomic.ko //加载驱动
驱动加载成功以后就可以使用atomicApp软件来测试驱动是否工作正常，输入如下命令以后台运行模式打开LED灯，"&"表示在后台运行atomicApp这个软件：
./atomicApp /dev/gpioled 1& //打开LED灯
输入上述命令以后观察开发板上的红色LED灯是否点亮，然后每隔5秒都会输出一行"App running times "，如图48.1.2.1所示：


图48.1.2.1 打开LED灯
从图48.1.2.1可以看出，atomicApp运行正常，输出了"App running times:1"和"App running times:2"，这就是模拟25S占用，说明atomicApp这个软件正在使用LED灯。此时再输入如下命令关闭LED灯：
./atomicApp /dev/gpioled 0 //关闭LED灯
输入上述命令以后会发现如图48.1.2.2所示输入信息：


图48.1.2.2 关闭LED灯
从图48.1.2.2可以看出，打开/dev/gpioled失败！原因是在图48.1.2.1中运行的atomicAPP软件正在占用/dev/gpioled，如果再次运行atomicApp软件去操作/dev/gpioled肯定会失败。必须等待图48.1.2.1中的atomicApp运行结束，也就是25S结束以后其他软件才能去操作/dev/gpioled。这个就是采用原子变量实现一次只能有一个应用程序访问LED灯。
如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：
rmmodatomic.ko
48.2 自旋锁实验上一节我们使用原子变量实现了一次只能有一个应用程序访问LED灯，本节我们使用自旋锁来实现此功能。在使用自旋锁之前，先回顾一下自旋锁的使用注意事项：
①、自旋锁保护的临界区要尽可能的短，因此在open函数中申请自旋锁，然后在release函数中释放自旋锁的方法就不可取。我们可以使用一个变量来表示设备的使用情况，如果设备被使用了那么变量就加一，设备被释放以后变量就减1，我们只需要使用自旋锁保护这个变量即可。
②、考虑驱动的兼容性，合理的选择API函数。
综上所述，在本节例程中，我们通过定义一个变量dev_stats表示设备的使用情况，dev_stats为0的时候表示设备没有被使用，dev_stats大于0的时候表示设备被使用。驱动open函数中先判断dev_stats是否为0，也就是判断设备是否可用，如果为0的话就使用设备，并且将dev_stats加1，表示设备被使用了。使用完以后在release函数中将dev_stats减1，表示设备没有被使用了。因此真正实现设备互斥访问的是变量dev_stats，但是我们要使用自旋锁对dev_stats来做保护。
48.2.1 实验程序编写1、修改设备树文件
本章实验是在上一节实验的基础上完成的，同样不需要对设备树做任何的修改。
2、LED驱动修改
本节实验在第上一节实验驱动文件atomic.c的基础上修改而来。新建名为"8_spinlock"的文件夹，然后在8_spinlock文件夹里面创建vscode工程，工作区命名为"spinlock"。将7_atomic实验中的atomic.c复制到8_spinlock文件夹中，并且重命名为spinlock.c。将原来使用atomic的地方换为spinlock即可，其他代码不需要修改，完成以后的spinlock.c文件内容如下所示(有省略)：
示例代码48.2.1.1 spinlock.c文件代码
1 #include <linux/types.h>
2 #include <linux/kernel.h>
3 #include <linux/delay.h>
4 #include <linux/ide.h>
5 #include <linux/init.h>
......
17/***************************************************************
18 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
19文件名 : spinlock.c
20作者 : 左忠凯
21版本 : V1.0
22描述 : 自旋锁实验，使用自旋锁来实现对实现设备的互斥访问
23其他 : 无
24论坛 : www.openedv.com
25日志 : 初版V1.0 2019/7/18 左忠凯创建
26 ***************************************************************/
27 #define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
28 #define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
29 #define LEDOFF 0 /* 关灯 */
30 #define LEDON 1 /* 开灯 */
31
32
33/* gpioled设备结构体 */
34struct gpioled_dev{
35 dev_t devid; /* 设备号 */
36struct cdev cdev; /* cdev */
37struct class *class; /* 类 */
38struct device *device; /* 设备 */
39int major; /* 主设备号 */
40int minor; /* 次设备号 */
41struct device_node *nd; /* 设备节点 */
42int led_gpio; /* led所使用的GPIO编号 */
43int dev_stats;/* 设备状态，0，设备未使用;>0,设备已经被使用 */
44 spinlock_t lock; /* 自旋锁 */
45};
46
47struct gpioled_dev gpioled; /* led设备 */
48
49/*
50 * @description : 打开设备
51 * @param – inode : 传递给驱动的inode
52 * @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
53 * 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
54 * @return : 0 成功;其他失败
55 */
56staticint led_open(struct inode *inode,struct file *filp)
57{
58unsignedlong flags;
59 filp->private_data =&gpioled; /* 设置私有数据 */
60
61 spin_lock_irqsave(&gpioled.lock, flags); /* 上锁 */
62if(gpioled.dev_stats){ /* 如果设备被使用了 */
63 spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags); /* 解锁 */
64return-EBUSY;
65}
66 gpioled.dev_stats++;/* 如果设备没有打开，那么就标记已经打开了 */
67 spin_unlock_irqrestore(&gpioled.lock, flags);/* 解锁 */
68
69return0;
70}
......
116/*
117 * @description : 关闭/释放设备
118 * @param – filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
119 * @return : 0 成功;其他失败
120 */
121staticint led_release(struct inode *inode,struct file *filp)
122{
123unsignedlong flags;
124struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
125
126/* 关闭驱动文件的时候将dev_stats减1 */
127 spin_lock_irqsave(&dev->lock, flags);/* 上锁 */
128if(dev->dev_stats){
129 dev->dev_stats--;
130}
131 spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags);/* 解锁 */
132
133return0;
134}
135
136/* 设备操作函数 */
137staticstruct file_operations gpioled_fops ={
138.owner = THIS_MODULE,
139.open = led_open,
140.read = led_read,
141.write = led_write,
142.release = led_release,
143};
144
145/*
146 * @description : 驱动入口函数
147 * @param : 无
148 * @return : 无
149 */
150staticint __init led_init(void)
151{
152int ret =0;
153
154/* 初始化自旋锁 */
155 spin_lock_init(&gpioled.lock);
......
212return0;
213}
214
215/*
216 * @description : 驱动出口函数
217 * @param : 无
218 * @return : 无
219 */
220staticvoid __exit led_exit(void)
221{
222/* 注销字符设备驱动 */
223 cdev_del(&gpioled.cdev);/* 删除cdev */
224 unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT);
225
226 device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid);
227 class_destroy(gpioled.class);
228}
229
230 module_init(led_init);
231 module_exit(led_exit);
232 MODULE_LICENSE("GPL");
233 MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");
第43行，dev_stats表示设备状态，如果为0的话表示设备还没有被使用，如果大于0的话就表示设备已经被使用了。
第44行，定义自旋锁变量lock。
第61~67行，使用自旋锁实现对设备的互斥访问，第61行调用spin_lock_irqsave函数获取锁，为了考虑到驱动兼容性，这里并没有使用spin_lock函数来获取锁。第62行判断dev_stats是否大于0，如果是的话表示设备已经被使用了，那么就调用spin_unlock_irqrestore函数释放锁，并且返回-EBUSY。如果设备没有被使用的话就在第66行将dev_stats加1，表示设备要被使用了，然后调用spin_unlock_irqrestore函数释放锁。自旋锁的工作就是保护dev_stats变量，真正实现对设备互斥访问的是dev_stats。
第126~131行，在release函数中将dev_stats减1，表示设备被释放了，可以被其他的应用程序使用。将dev_stats减1的时候需要自旋锁对其进行保护。
第155行，在驱动入口函数led_init中调用spin_lock_init函数初始化自旋锁。
3、编写测试APP
测试APP使用48.1.1小节中的atomicApp.c即可，将7_atomic中的atomicApp.c文件到本例程中，并将atomicApp.c重命名为spinlockApp.c即可。
48.2.2 运行测试1、编译驱动程序
编写Makefile文件，本章实验的Makefile文件和第四十章实验基本一样，只是将obj-m变量的值改为spinlock.o，Makefile内容如下所示：
示例代码48.2.2.1 Makefile文件
1 KERNELDIR:= /home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
......
4 obj-m := spinlock.o
......
11 clean:
12$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean
第4行，设置obj-m变量的值为spinlock.o。
输入如下命令编译出驱动模块文件：
make-j32
编译成功以后就会生成一个名为"spinlock.ko"的驱动模块文件。
2、编译测试APP
输入如下命令编译测试spinlockApp.c这个测试程序：
arm-linux-gnueabihf-gcc spinlockApp.c -o spinlockApp
编译成功以后就会生成spinlockApp这个应用程序。
3、运行测试
将上一小节编译出来的spinlock.ko和spinlockApp这两个文件拷贝到rootfs/lib/modules/4.1.15目录中，重启开发板，进入到目录lib/modules/4.1.15中，输入如下命令加载spinlock.ko驱动模块：
depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe spinlock.ko //加载驱动
驱动加载成功以后就可以使用spinlockApp软件测试驱动是否工作正常，测试方法和48.1.2小节中一样，先输入如下命令让spinlockAPP软件模拟占用25S的LED灯：
./atomicApp /dev/gpioled 1& //打开LED灯
紧接着再输入如下命令关闭LED灯：
./atomicApp /dev/gpioled 0 //关闭LED灯
看一下能不能关闭LED灯，驱动正常工作的话并不会马上关闭LED灯，会提示你"file /dev/gpioled open failed!"，必须等待第一个atomicApp软件运行完成(25S计时结束)才可以再次操作LED灯。
如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：
rmmodspinlock.ko
48.3 信号量实验本节我们来使用信号量实现了一次只能有一个应用程序访问LED灯，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，然后在release函数中释放信号量。但是信号量不能用在中断中，本节实验我们不会在中断中使用信号量。
48.3.1 实验程序编写1、修改设备树文件
本章实验是在上一节实验的基础上完成的，同样不需要对设备树做任何的修改。
2、LED驱动修改
本节实验在第上一节实验驱动文件spinlock.c的基础上修改而来。新建名为"9_semaphore"的文件夹，然后在9_semaphore文件夹里面创建vscode工程，工作区命名为"semaphore"。将8_spinlock实验中的spinlock.c复制到9_semaphore文件夹中，并且重命名为semaphore.c。将原来使用到自旋锁的地方换为信号量即可，其他的内容基本不变，完成以后的semaphore.c文件内容如下所示(有省略)：
示例代码48.3.1.1 semaphore.c文件代码
1 #include <linux/types.h>
......
14 #include
15 #include <asm/mach/map.h>
16 #include <asm/uaccess.h>
17 #include <asm/io.h>
18/***************************************************************
19 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
20文件名 : semaphore.c
21作者 : 左忠凯
22版本 : V1.0
23描述 : 信号量实验，使用信号量来实现对实现设备的互斥访问
24其他 : 无
25论坛 : www.openedv.com
26日志 : 初版V1.0 2019/7/18 左忠凯创建
27 ***************************************************************/
28 #define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
29 #define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
30 #define LEDOFF 0 /* 关灯 */
31 #define LEDON 1 /* 开灯 */
32
33/* gpioled设备结构体 */
34struct gpioled_dev{
35 dev_t devid; /* 设备号 */
36struct cdev cdev; /* cdev */
37struct class *class; /* 类 */
38struct device *device; /* 设备 */
39int major; /* 主设备号 */
40int minor; /* 次设备号 */
41struct device_node *nd; /* 设备节点 */
42int led_gpio; /* led所使用的GPIO编号 */
43struct semaphore sem; /* 信号量 */
44};
45
46struct gpioled_dev gpioled;/* led设备 */
47
48/*
49 * @description : 打开设备
50 * @param – inode : 传递给驱动的inode
51 * @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
52 * 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
53 * @return : 0 成功;其他失败
54 */
55staticint led_open(struct inode *inode,struct file *filp)
56{
57 filp->private_data =&gpioled;/* 设置私有数据 */
58
59/* 获取信号量,进入休眠状态的进程可以被信号打断 */
60if(down_interruptible(&gpioled.sem)){
61return-ERESTARTSYS;
62}
63 #if0
64 down(&gpioled.sem);/* 不能被信号打断 */
65 #endif
66
67return0;
68}
......
114/*
115 * @description : 关闭/释放设备
116 * @param – filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
117 * @return : 0 成功;其他失败
118 */
119staticint led_release(struct inode *inode,struct file *filp)
120{
121struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
122
123 up(&dev->sem);/* 释放信号量，信号量值加1 */
124
125return0;
126}
127
128/* 设备操作函数 */
129staticstruct file_operations gpioled_fops ={
130.owner = THIS_MODULE,
131.open = led_open,
132.read = led_read,
133.write = led_write,
134.release = led_release,
135};
136
137/*
138 * @description : 驱动入口函数
139 * @param : 无
140 * @return : 无
141 */
142staticint __init led_init(void)
143{
144int ret =0;
145
146/* 初始化信号量 */
147 sema_init(&gpioled.sem,1);
......
204return0;
205}
206
207/*
208 * @description : 驱动出口函数
209 * @param : 无
210 * @return : 无
211 */
212staticvoid __exit led_exit(void)
213{
214/* 注销字符设备驱动 */
215 cdev_del(&gpioled.cdev);/* 删除cdev */
216 unregister_chrdev_region(gpioled.devid, GPIOLED_CNT);
217
218 device_destroy(gpioled.class, gpioled.devid);
219 class_destroy(gpioled.class);
220}
221
222 module_init(led_init);
223 module_exit(led_exit);
224 MODULE_LICENSE("GPL");
225 MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");
第14行，要使用信号量必须添加头文件。
第43行，在设备结构体中添加一个信号量成员变量sem。
第60~65行，在open函数中申请信号量，可以使用down函数，也可以使用down_interruptible函数。如果信号量值大于1就表示可用，那么应用程序就会开始使用LED灯。如果信号量值为0就表示应用程序不能使用LED灯，此时应用程序就会进入到休眠状态。等到信号量值大于1的时候应用程序就会唤醒，申请信号量，获取LED灯使用权。
第123行，在release函数中调用up函数释放信号量，这样其他因为没有得到信号量而进入休眠状态的应用程序就会唤醒，获取信号量。
第147行，在驱动入口函数中调用sema_init函数初始化信号量sem的值为1，相当于sem是个二值信号量。
总结一下，当信号量sem为1的时候表示LED灯还没有被使用，如果应用程序A要使用LED灯，先调用open函数打开/dev/gpioled，这个时候会获取信号量sem，获取成功以后sem的值减1变为0。如果此时应用程序B也要使用LED灯，调用open函数打开/dev/gpioled就会因为信号量无效(值为0)而进入休眠状态。当应用程序A运行完毕，调用close函数关闭/dev/gpioled的时候就会释放信号量sem，此时信号量sem的值就会加1，变为1。信号量sem再次有效，表示其他应用程序可以使用LED灯了，此时在休眠状态的应用程序A就会获取到信号量sem，获取成功以后就开始使用LED灯。
3、编写测试APP
测试APP使用48.1.1小节中的atomicApp.c即可，将7_atomic中的atomicApp.c文件到本例程中，并将atomicApp.c重命名为semaApp.c即可。
48.3.2 运行测试1、编译驱动程序
编写Makefile文件，本章实验的Makefile文件和第四十章实验基本一样，只是将obj-m变量的值改为semaphore.o，Makefile内容如下所示：
示例代码48.3.2.1 Makefile文件
1 KERNELDIR:= /home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
......
4 obj-m :=semaphore.o
......
11 clean:
12$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean
第4行，设置obj-m变量的值为semaphore.o。
输入如下命令编译出驱动模块文件：
make-j32
编译成功以后就会生成一个名为"semaphore.ko"的驱动模块文件。
2、编译测试APP
输入如下命令编译测试semaApp.c这个测试程序：
arm-linux-gnueabihf-gcc semaApp.c -o semaApp
编译成功以后就会生成semaApp这个应用程序。
3、运行测试
将上一小节编译出来的semaphore.ko和semaApp这两个文件拷贝到rootfs/lib/modules/4.1.15目录中，重启开发板，进入到目录lib/modules/4.1.15中，输入如下命令加载semaphore.ko驱动模块：
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
驱动加载成功以后就可以使用semaApp软件测试驱动是否工作正常，测试方法和48.1.2小节中一样，先输入如下命令让semaApp软件模拟占用25S的LED灯：
./ semaApp /dev/gpioled 1& //打开LED灯
紧接着再输入如下命令关闭LED灯：
./ semaApp /dev/gpioled 0& //关闭LED灯
注意两个命令都是运行在后台，第一条命令先获取到信号量，因此可以操作LED灯，将LED灯打开，并且占有25S。第二条命令因为获取信号量失败而进入休眠状态，等待第一条命令运行完毕并释放信号量以后才拥有LED灯使用权，将LED灯关闭，运行结果如图48.3.2.1所示：


图48.3.2.1 命令运行过程
如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：
rmmodsemaphore.ko
48.4 互斥体实验前面我们使用原子操作、自旋锁和信号量实现了对LED灯的互斥访问，但是最适合互斥的就是互斥体mutex了。本节我们来学习一下如何使用mutex实现对LED灯的互斥访问。
48.4.1 实验程序编写1、修改设备树文件
本章实验是在上一节实验的基础上完成的，同样不需要对设备树做任何的修改。
2、LED驱动修改
本节实验在第上一节实验驱动文件semaphore.c的基础上修改而来。新建名为"10_mutex"的文件夹，然后在10_mutex文件夹里面创建vscode工程，工作区命名为"mutex"。将9_semaphore实验中的semaphore.c复制到10_mutex文件夹中，并且重命名为mutex.c。将原来使用到信号量的地方换为mutex即可，其他的内容基本不变，完成以后的mutex.c文件内容如下所示(有省略)：
示例代码48.4.1.1 mutex.c文件代码
1 #include <linux/types.h>
......
17 #include <asm/io.h>
18/***************************************************************
19 Copyright © ALIENTEK Co., Ltd. 1998-2029. All rights reserved.
20文件名 : mutex.c
21作者 : 左忠凯
22版本 : V1.0
23描述 : 互斥体实验，使用互斥体来实现对实现设备的互斥访问
24其他 : 无
25 论坛 : www.openedv.com
26日志 : 初版V1.0 2019/7/18 左忠凯创建
27 ***************************************************************/
28 #define GPIOLED_CNT 1 /* 设备号个数 */
29 #define GPIOLED_NAME "gpioled" /* 名字 */
30 #define LEDOFF 0 /* 关灯 */
31 #define LEDON 1 /* 开灯 */
32
33/* gpioled设备结构体 */
34struct gpioled_dev{
35 dev_t devid; /* 设备号 */
36struct cdev cdev; /* cdev */
37struct class *class; /* 类 */
38struct device *device; /* 设备 */
39int major; /* 主设备号 */
40int minor; /* 次设备号 */
41struct device_node *nd; /* 设备节点 */
42int led_gpio; /* led所使用的GPIO编号*/
43struct mutex lock; /* 互斥体 */
44};
45
46struct gpioled_dev gpioled;/* led设备 */
47
48/*
49 * @description : 打开设备
50 * @param – inode : 传递给驱动的inode
51 * @param - filp : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
52 * 一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
53 * @return : 0 成功;其他失败
54 */
55staticint led_open(struct inode *inode,struct file *filp)
56{
57 filp->private_data =&gpioled;/* 设置私有数据 */
58
59/* 获取互斥体,可以被信号打断 */
60if(mutex_lock_interruptible(&gpioled.lock)){
61return-ERESTARTSYS;
62}
63 #if0
64 mutex_lock(&gpioled.lock);/* 不能被信号打断 */
65 #endif
66
67return0;
68}
......
114/*
115 * @description : 关闭/释放设备
116 * @param – filp : 要关闭的设备文件(文件描述符)
117 * @return : 0 成功;其他失败
118 */
119staticint led_release(struct inode *inode,struct file *filp)
120{
121struct gpioled_dev *dev = filp->private_data;
122
123/* 释放互斥锁 */
124 mutex_unlock(&dev->lock);
125
126return0;
127}
128
129/* 设备操作函数 */
130staticstruct file_operations gpioled_fops ={
131.owner = THIS_MODULE,
132.open = led_open,
133.read = led_read,
134.write = led_write,
135.release = led_release,
136};
137
138/*
139 * @description : 驱动入口函数
140 * @param : 无
141 * @return : 无
142 */
143staticint __init led_init(void)
144{
145int ret =0;
146
147/* 初始化互斥体 */
148 mutex_init(&gpioled.lock);
......
205return0;
206}
......
223 module_init(led_init);
224 module_exit(led_exit);
225 MODULE_LICENSE("GPL");
226 MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");
第43行，定义互斥体lock。
第60~65行，在open函数中调用mutex_lock_interruptible或者mutex_lock获取mutex，成功的话就表示可以使用LED灯，失败的话就会进入休眠状态，和信号量一样。
第124行，在release函数中调用mutex_unlock函数释放mutex，这样其他应用程序就可以获取mutex了。
第148行，在驱动入口函数中调用mutex_init初始化mutex。
互斥体和二值信号量类似，只不过互斥体是专门用于互斥访问的。
3、编写测试APP
测试APP使用48.1.1小节中的atomicApp.c即可，将7_atomic中的atomicApp.c文件到本例程中，并将atomicApp.c重命名为mutexApp.c即可。
48.4.2 运行测试1、编译驱动程序
编写Makefile文件，本章实验的Makefile文件和第四十章实验基本一样，只是将obj-m变量的值改为mutex.o，Makefile内容如下所示：
示例代码48.4.2.1 Makefile文件
1 KERNELDIR:= /home/zuozhongkai/linux/IMX6ULL/linux/temp/linux-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga_alientek
......
4 obj-m :=mutex.o
......
11 clean:
12$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(CURRENT_PATH) clean
第4行，设置obj-m变量的值为mutex.o。
输入如下命令编译出驱动模块文件：
make-j32
编译成功以后就会生成一个名为"mutex.ko"的驱动模块文件。
2、编译测试APP
输入如下命令编译测试mutexApp.c这个测试程序：
arm-linux-gnueabihf-gcc mutexApp.c -o mutexApp
编译成功以后就会生成mutexApp这个应用程序。
3、运行测试
将上一小节编译出来的mutex.ko和mutexApp这两个文件拷贝到rootfs/lib/modules/4.1.15目录中，重启开发板，进入到目录lib/modules/4.1.15中，输入如下命令加载mutex.ko驱动模块：
depmod //第一次加载驱动的时候需要运行此命令
modprobe mutex.ko //加载驱动
驱动加载成功以后就可以使用mutexApp软件测试驱动是否工作正常，测试方法和48.3.2中测试信号量的方法一样。
如果要卸载驱动的话输入如下命令即可：
rmmodmutex.ko