imx6ull-异步通知*

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异步通知

介绍

前面我们学习了中断，这是处理器提供的一种异步机制

  • （cpu干自己的事情，突然来一个硬件中断）

后面又学习用户态用阻塞/非阻塞的方式来访问设备驱动。

  • 这里还是要求用户态程序去主动访问设备

现在内核提供了一种软件层面上的，类似中断一样的机制：信号

  • 设备驱动可以主动通知用户态应用程序。
  • 是软件层面上对中断的一种模拟
  • 根据后面的api:
    • 可以把信号这个异步通知机制，想象成是用户态程序和驱动程序之间建立的一个通知通道
      • 用户态来建立连接
      • 内核态支持信号
  • 阻塞/非阻塞（用户态主动访问驱动）
  • 异步通知（驱动通知用户态）

这些都是针对不同场合提出来的不同的解决办法，按需选择

信号 – 异步通知的核心

linux为了实现异步通知，提供了一个信号的机制。定义在arch/xtensa/include/uapi/asm/signal.h中。内部定义了linux所支持的所有信号

linux支持的信号

#define SIGHUP     1   /* 终端挂起或控制进程终止              */
#define SIGINT     2   /* 终端中断(Ctrl+C组合键)                */
#define SIGQUIT    3   /* 终端退出(Ctrl+\组合键)                */
#define SIGILL     4   /* 非法指令                              */
#define SIGTRAP    5   /* debug使用，有断点指令产生              */
#define SIGABRT    6   /* 由abort(3)发出的退出指令               */
#define SIGIOT     6   /* IOT指令                               */
#define SIGBUS     7   /* 总线错误                              */
#define SIGFPE     8   /* 浮点运算错误                          */
#define SIGKILL    9   /* 杀死、终止进程                         */
#define SIGUSR1    10  /* 用户自定义信号1                        */
#define SIGSEGV    11  /* 段违例(无效的内存段)                   */
#define SIGUSR2    12  /* 用户自定义信号2                        */
#define SIGPIPE    13  /* 向非读管道写入数据                     */
#define SIGALRM    14  /* 闹钟                                  */
#define SIGTERM    15  /* 软件终止                              */
#define SIGSTKFLT  16  /* 栈异常                                */
#define SIGCHLD    17  /* 子进程结束                            */
#define SIGCONT    18  /* 进程继续                              */
#define SIGSTOP    19  /* 停止进程的执行，只是暂停               */
#define SIGTSTP    20  /* 停止进程的运行(Ctrl+Z组合键)           */
#define SIGTTIN    21  /* 后台进程需要从终端读取数据             */
#define SIGTTOU    22  /* 后台进程需要向终端写数据               */
#define SIGURG     23  /* 有"紧急"数据                          */
#define SIGXCPU    24  /* 超过CPU资源限制                       */
#define SIGXFSZ    25  /* 文件大小超额                           */
#define SIGVTALRM  26  /* 虚拟时钟信号                           */
#define SIGPROF    27  /* 时钟信号描述                           */
#define SIGWINCH   28  /* 窗口大小改变                           */
#define SIGIO      29  /* 可以进行输入/输出操作                  */
#define SIGPOLL    SIGIO /* 可轮询事件(等同于SIGIO)                */
/* #define SIGLOS    29 */
#define SIGPWR     30  /* 断点重启                              */
#define SIGSYS     31  /* 非法的系统调用                         */
#define SIGUNUSED  31  /* 未使用信号                             */

除了 SIGKILL(9)和 SIGSTOP(19)这两个信号不能被忽略外，其他的信号都可以忽略。

这些信号就相当于中断号，不同的中断号代表了不同的中断，不同的中断所做的处理不同，因此，驱动程序可以通过向应用程序发送不同的信号来实现不同的功能

就是驱动发送信号（指令），通知应用程序进入“中断”，执行“用户态中断处理函数”

api

用户态api

  • signal() : 设置指定信号的处理函数
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  • handler: 信号(中断)处理函数
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  • fcntl系统调用： 调用驱动中提供的接口.fasync 来配置信号通道
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总结：应用程序对异步通知的处理：
  • 信号处理初始化（核心前提）
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  • 指定信号接收进程（关键：告诉内核 “发给谁”）
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  • 开启文件异步通知功能（关键：建立通知通道）
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我们可以通过这两个函数，在用户态的代码里面，重载一些信号的回调函数，比如:

  • ctrl-c : 信号SIGINT
  • kill -9 PID: 信号SIGKILL
#include "stdlib.h"
#include "stdio.h"
#include "signal.h"

void sigint_handler(int num)
{
    printf("\r\nSIGINT signal!\r\n");
    exit(0);
}

int main(void)
{
    signal(SIGINT, sigint_handler);
    while(1);
    return 0;
}

驱动层api

异步通知结构体（信号）定义

linux内核中，定义了结构体fasync_struct:

struct fasync_struct {
    spinlock_t fa_lock;
    int magic;
    int fa_fd;
    struct fasync_struct *fa_next;
    struct file *fa_file;
    struct rcu_head fa_rcu;
};

一般在设备结构体里面，增加这样一个结构体变量（就像让这个结构体，有一个发送信号的功能一样）

struct imx6uirq_dev {
    struct device *dev;
    struct class  *cls;
    struct cdev    cdev;
    /* ...... */
    struct fasync_struct *async_queue; /* 异步相关结构体 */
};
api
  • .fasync: 设备文件的操作方法之一
    • 是提供给应用层来配置信号的接口。
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    • 内部调用fasync_helper来初始化设备结构体里面的信号功能结构体变量
  • fasync_helper()
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  • kill_fasync(): 驱动向用户态程序发送指定信号
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demo
#include <linux/fs.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/fcntl.h>

// 设备结构体定义
struct xxx_dev {
    /* ...... 其他设备成员变量 */
    struct fasync_struct *async_queue; /* 异步通知核心结构体 */
};

// 异步通知处理函数
static int xxx_fasync(int fd, struct file *filp, int on)
{
    struct xxx_dev *dev = (struct xxx_dev *)filp->private_data;
    
    // 内核辅助函数：维护异步通知队列（创建/删除/更新）
    if (fasync_helper(fd, filp, on, &dev->async_queue) < 0)
        return -EIO;
    
    return 0;
}

// 设备文件释放函数（关闭文件时清理异步通知）
static int xxx_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
    // 调用fasync，传入fd=-1、on=0：删除该文件的异步通知注册
    return xxx_fasync(-1, filp, 0);
}

// 文件操作集（注册fasync和release接口）
static struct file_operations xxx_ops = {
    /* ...... 其他文件操作接口（如read、write、open等） */
    .fasync  = xxx_fasync,  // 异步通知注册/更新入口
    .release = xxx_release, // 设备文件关闭时的清理入口
};