前言

在嵌入式Linux開(kāi)發(fā)中，異步通知（Asynchronous Notification）是一種高效的設(shè)備訪問(wèn)機(jī)制，特別適用于需要實(shí)時(shí)響應(yīng)硬件事件。

相比于傳統(tǒng)的阻塞式I/O和輪詢方式，異步通知能夠在事件發(fā)生時(shí)主動(dòng)通知應(yīng)用程序，從而顯著降低CPU占用率并提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。

一、異步通知的核心概念

1. 什么是異步通知

異步通知是Linux內(nèi)核提供的一種軟件層次上的中斷模擬機(jī)制。當(dāng)設(shè)備發(fā)生特定事件（如數(shù)據(jù)可讀、按鍵按下）時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序會(huì)向用戶空間發(fā)送一個(gè)信號(hào)（如SIGIO），通知應(yīng)用程序立即處理事件。

這種機(jī)制類似于硬件中斷，但發(fā)生在用戶空間和內(nèi)核空間之間。

2. 異步通知的關(guān)鍵組件

• 信號(hào)（signal）：Linux內(nèi)核通過(guò)信號(hào)與用戶進(jìn)程通信，SIGIO是異步通知中常用的信號(hào)。
• fasync_struct：內(nèi)核維護(hù)的異步通知隊(duì)列結(jié)構(gòu)體，用于存儲(chǔ)注冊(cè)異步通知的進(jìn)程信息。
• fasync方法：驅(qū)動(dòng)中用于管理異步通知隊(duì)列的接口。
• kill_fasync函數(shù)：驅(qū)動(dòng)向用戶進(jìn)程發(fā)送信號(hào)的核心函數(shù)。

二、異步通知的實(shí)現(xiàn)原理

在用戶程序中，需要完成以下三步以啟用異步通知，即定義異步隊(duì)列，在設(shè)備結(jié)構(gòu)體中添加struct fasync_struct *async_queue;。

實(shí)現(xiàn)fasync方法，通過(guò)fasync_helper管理異步隊(duì)列。

觸發(fā)信號(hào)，在事件發(fā)生時(shí)調(diào)用kill_fasync發(fā)送SIGIO信號(hào)。

// 1. 設(shè)置信號(hào)處理函數(shù)
signal(SIGIO, handler); // handler為自定義的信號(hào)處理函數(shù)

// 2. 綁定進(jìn)程與文件描述符
fcntl(fd, F_SETOWN, getpid()); // 將當(dāng)前進(jìn)程ID設(shè)置為文件描述符的屬主

// 3. 啟用異步模式
fcntl(fd, F_SETFL, fcntl(fd, F_GETFL) | FASYNC); // 設(shè)置FASYNC標(biāo)志

三、代碼示例分析

以下是正在學(xué)習(xí)的一個(gè)按鍵驅(qū)動(dòng)的異步通知實(shí)現(xiàn)的部分代碼：

1. 設(shè)備結(jié)構(gòu)體定義

struct imx6uirq_dev {
    ...
    struct fasync_struct *async_queue; // 異步通知隊(duì)列
};

2. fasync方法實(shí)現(xiàn)

• fasync_helper：內(nèi)核提供的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，用于注冊(cè)或移除進(jìn)程到異步隊(duì)列中。
• on=1：注冊(cè)異步通知。
• on=0：移除異步通知。

static int imx6uirq_fasync(int fd, struct file *filp, int on) {
    struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev *)filp->private_data;
    return fasync_helper(fd, filp, on, &dev->async_queue);
}

3. 觸發(fā)信號(hào)

• kill_fasync：向異步隊(duì)列中的進(jìn)程發(fā)送SIGIO信號(hào)，通知應(yīng)用程序有數(shù)據(jù)可讀。

void timer_function(unsigned long arg) {
    ...
    if (atomic_read(&dev->releasekey)) { /* 按鍵釋放事件 */
        if (dev->async_queue)
            kill_fasync(&dev->async_queue, SIGIO, POLL_IN); // 發(fā)送SIGIO信號(hào)
    }
}

4. 釋放資源

static int imx6uirq_release(struct inode *inode, struct file *filp) {
    return imx6uirq_fasync(-1, filp, 0); // 清理異步隊(duì)列
}

總結(jié)

異步通知的特點(diǎn)：

• 低延遲響，即按鍵檢測(cè)、傳感器數(shù)據(jù)更新、實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。
• 能夠避免輪詢或阻塞等待，減少延遲

對(duì)比傳統(tǒng)方式：

• 阻塞式I/O：應(yīng)用程序進(jìn)入休眠態(tài)，等待設(shè)備就緒。
• 非阻塞式I/O：應(yīng)用程序定期輪詢，占用大量CPU資源。
• 異步通知：設(shè)備就緒時(shí)主動(dòng)通知，無(wú)需輪詢或阻塞。

以上為個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，希望能給大家一個(gè)參考，也希望大家多多支持腳本之家。

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