讲师博文
Linux中断处理驱动程序编写
中断处理是操作系统必须具备的上要功能之一，下面我们一起来探讨一下Linux中的中断处理。
1. 什么是中断
中断就是CPU正常运行期间，由于内、外部事件引起的CPU暂时停止正在运行的程序，去执行该内部事件或外部事件的引起的服务中去，服务执行完毕后再返回断点处继续执行的情形。这样的中断机制极大的提高了CPU运行效率。
1.1. 中断的分类：
1) 根据中断的来源可分为内部中断和外部中断，内部中断的中断源来自于CPU内部(软件中断指令、溢出、除法错误等)，例如操作系统从用户态切换到内核态需要借助CPU内部的软件中断，外部中断的中断源来自于CPU外部，由外设触发。
2) 根据中断是否可以被屏蔽，中断可分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断，可屏蔽中断可以通过设置中断控制器寄存器等方法被屏蔽，屏蔽后，该中断不再得到响应，而不可屏蔽中断不能被屏蔽。
3) 根据中断入口跳转方式的不同，中断可分为向量中断和非向量中断。采用向量中断的CPU通常为不同的中断分配不同的中断号，当检测到中断的中断号到来时，就自动跳转到该中断对应的地址处去执行程序。不同的中断号对应不同的中断入口地址。非向量中断的多个中断共享一个入口程序处理入口地址，中断程序跳转到该入口地址执行时，再通过中断程序来判断中断标志来识别具体是哪一个中断，也就是说向量中断由硬件提供中断服务程序入口地址，非向量中断由软件提供中断服务程序入口地址。
4) 非向量中断处理流程：
/*典型的非向量中断首先会判断中断源，然后调用不同中断源的中断处理程序*/
irq_handler()
{
...
int int_src = read_int_status();/*读硬件的中断相关寄存器*/
switch(int_src)
{
//判断中断标志
case DEV_A:
dev_a_handler();
break;
case DEV_B:
dev_b_handler();
break;
...
default:
break;
}
...
}
2. linux中断顶部、底部概念
为保证系统实时性，中断服务程序必须足够简短，但实际应用中某些时候发生中断时必须处理大量的工作，这时候如果都在中断服务程序中完成，则会严重降低中断的实时性，基于这个原因，linux系统提出了一个概念：把中断服务程序分为两部分：顶半部、底半部。
2.1. 顶半部
完成尽可能少的比较急的功能，它往往只是简单的读取寄存器的中断状态，并清除中断标志后就进行“中断标记”(也就是把底半部处理程序挂到设备的底半部执行队列中)的工作。特点是响应速度快。
2.2. 底半部
中断处理的大部分工作都在底半部，它几乎做了中断处理程序的所有事情。 特点：处理相对来说不是非常紧急的事件 ，底半部机制主要有：tasklet、工作队列和软中断。
Linux中查看/proc/interrupts文件可以获得系统中断的统计信息：
3. Linux中断编程
3.1. 申请和释放中断
3.1.1. 申请中断:
int request_irq(unsigned int irq,irq_handler_t handler,unsigned long irqflags,const char *devname,void *dev_id);
参数介绍:irq是要申请的硬件中断号。
Handler:是向系统登记的中断处理程序(顶半部)，是一个回调函数，中断发生时，系统调用它，将dev_id参数传递给它。
irqflags:是中断处理的属性,可以指定中断的触发方式和处理方式:
触发方式:IRQF_TRIGGER_RISING、IRQF_TRIGGER_FALLING、IRQF_TRIGGER_HIGH、IRQF_TRIGGER_LOW，处理方式:IRQF_DISABLE表明中断处理程序是快速处理程序，快速处理程序被调用时屏蔽所有中断，IRQF_SHARED表示多个设备共享中断,dev_id在中断共享时会用到，一般设置为NULL。
返回值:为0表示成功，返回-EINVAL表示中断号无效，返回-EBUSY表示中断已经被占用，且不能共享。
顶半部的handler的类型irq_handler_t定义为：
typedef irqreturn_t (*irq_handler_t)(int,void*);
typedef int irqreturn_t;
3.1.2. 释放IRQ
有请求当然就有释放。中断的释放函数为：
void free_irq(unsigned int irq,void *dev_id);
参数定义与request_irq类似。
3.1.3. 中断的使能和屏蔽
void disable_irq(int irq);//等待目前中断处理完成(最好别在顶板部使用，你懂得)
void disable_irq_nosync(int irq);//立即返回
void enable_irq(int irq);//
3.1.4. 屏蔽本CPU内所有中断:
#define local_irq_save(flags)...//禁止中断并保存状态。
void local_irq_disable(void); //禁止中断，不保存状态。
下面来分别介绍一下顶半部和底半部的实现机制
3.1.5. 底半部机制:
简介:底半部机制主要有tasklet、工作队列和软中断
3.1.5.1. 底半部实现方法之一tasklet
(1) 我们需要定义tasklet机器处理器并将两者关联，例如:
void my_tasklet_func(unsigned long);/*定义一个处理函数*/
DECLARE_TASKLET(my_tasklet,my_tasklet_func,data);
/*上述代码定义了名为my_tasklet的tasklet并将其与my_tasklet_func()函数绑定，传入的参数为data*/
(2)调度
tasklet_schedule(&my_tasklet);
//使用此函数就能在是当的时候进行调度运行
(3)tasklet使用模板:
/*定义tasklet和底半部函数并关联*/
void xxx_do_tasklet(unsigned long);
DECLARE_TASKLET(xxx_tasklet, xxx_do_tasklet,0);
/*中断处理底半部*/
void xxx_do_tasklet(unsigned long)
{
...
}
/*中断处理顶半部*/
irqreturn_t xxx_interrupt(int irq,void *dev_id)
{
...
tasklet_schedule(&xxx_tasklet);//调度地半部
...
}
/*设备驱动模块加载函数*/
int __init xxx_init(void)
{
...
/*申请中断*/
result = request_irq(xxx_irq,xxx_interrupt, IRQF_DISABLED,"xxx",NULL);
...
return IRQ_HANDLED;
}
/*设备驱动模块卸载函数*/
void __exit xxx_exit(void)
{
...
/*释放中断*/
free_irq(xxx_irq,xxx_interrupt);
...
}
3.1.5.2. 底半部实现方法之二---工作队列
使用方法和tasklet类似，相关操作:
struct work_struct my_wq;/*定义一个工作队列*/
void my_wq_func(unsigned long);/*定义一个处理函数*/
通过INIT_WORK()可以初始化这个工作队列并将工作队列与处理函数绑定INIT_WORK(&my_wq,(void (*)(void *))my_wq_func,NULL);/*初始化工作队列并将其与处理函数绑定*/
schedule_work(&my_wq);/*调度工作队列执行*/
/*工作队列使用模板*/
/*定义工作队列和关联函数*/
struct work_struct(unsigned long);
void xxx_do_work(unsigned long);
/*中断处理底半部*/
void xxx_do_work(unsigned long)
{
...
}
/*中断处理顶半部*/
irqreturn_t xxx_interrupt(int irq,void *dev_id)
{
...
schedule_work(&my_wq);//调度底半部
...
return IRQ_HANDLED;
}
/*设备驱动模块加载函数*/
int xxx_init(void)
{
...
/*申请中断*/
result = request_irq(xxx_irq,xxx_interrupt,IRQF_DISABLED,"xxx",NULL);
...
/*初始化工作队列*/
INIT_WORK(&my_wq,(void (*)(void *))xxx_do_work,NULL);
}
/*设备驱动模块卸载函数*/
void xxx_exit(void)
{
...
/*释放中断*/
free_irq(xxx_irq,xxx_interrupt);
...
}
4. 中断共享
中断共享是指多个设备共享一根中断线的情况，中断共享的使用方法:
(1).在申请中断时，使用IRQF_SHARED标识;
(2).在中断到来时，会遍历共享此中断的所有中断处理程序，直到某一个函数返回IRQ_HANDLED，在中断处理程序顶半部中，应迅速根据硬件寄存器中的信息参照dev_id参数判断是否为本设备的中断，若不是立即返回IR1_NONE
/*共享中断编程模板*/
irqreturn_t xxx_interrupt(int irq,void *dev_id,struct pt_regs *regs)
{
...
int status = read_int_status();/*获知中断源*/
if(!is_myint(dev_id,status))/*判断是否为本设备中断*/
return IRQ_NONE;/*不是本设备中断，立即返回*/
/*是本设备中断,进行处理*/
...
return IRQ_HANDLED;/*返回IRQ_HANDLER表明中断已经被处理*/
}
/*设备模块加载函数*/
int xxx_init(void)
{
...
/*申请共享中断*/
result = request_irq(sh_irq,xxx_interrupt,IRQF_SHARE,"xxx",xxx_dev);
...
}
/*设备驱动模块卸载函数*/
void xxx_exit()
{
...
/*释放中断*/
free_irq(xxx_irq,xxx_interrupt);
...
}
5. 内核定时器
内核定时器编程:
简介:软件意义上的定时器最终是依赖于硬件定时器实现的，内核在时钟中断发生后检测各定时器是否到期，到期后定时器处理函数作为软中断在底半部执行。
Linux内核定时器操作：
5.1. timer_list结构体
每一个timer_list对应一个定时器
struct timer_list{
struct list_head entry;/*定时器列表*/
unsigned long expires;/*定时器到期时间*/
void (*function)(unsigned long);/*定时器处理函数*/
unsigned long data;/*作为参数被传递给定时器处理函数*/
struct timer_base_s *base;
...
};
当定时器满的时候，定时器处理函数将被执行
5.2. 初始化定时器
void init_timer(struct timer_list * timer);
//初始化timer_list的entry的next为NULL，并给base指针赋值。
TIMER_INITIALIZER(_function,_expires,_data);//此宏用来
//赋值定时器结构体的function、expires、data和base成员
#define TIMER_INITIALIZER(function,_expires,_data)
{
.entry = {.prev = TIMER_ENTRY_STATIC},\
.function= (_function), \
.expires = (_expire), \
.data = (_data), \
.base = &boot_tvec_bases,\
}
DEFINE_TIMER(_name,_function,_expires,_data)//定义一个定时器结构体变量//并为此变量取名_name
//还有一个setup_timer()函数也可以用于定时器结构体的初始化。
5.3. 增加定时器
void add_timer(struct timer_list * timer);//注册内核定时器，也就是将定时器加入到内核动态定时器链表当中。
5.4. 删除定时器
del_timer(struct timer_list *timer);
del_timer_sync()//在删除一个定时器时等待删除操作被处理完(不能用于中断上下文中)
5.5. 修改定时器expires
int mod_timer(struct timer_list * timer,unsigned long expires);//修改定时器的到期时间
/*内核定时器使用模板*/
/*xxx设备结构体*/
struct xxx_dev
{
struct cdev cdev;
...
timer_list xxx_timer;/*设备要使用的定时器*/
};
/*xxx驱动中的某函数*/
xxx_funcl(...)
{
struct xxx_dev *dev = filp->private_data;
...
/*初始化定时器*/
init_timer(&dev->xxx_timer);
dev->xxx_timer.function = &xxx_do_timer;
dev->xxx_timer.data = (unsigned long)dev;
/*设备结构体指针作为定时器处理函数参数*/
dev->xxx_timer.expires = jiffes + delays;
/*添加(注册)定时器*/
add_timer(&dev->xxx_timer);
...
}
/*xxx驱动中的某函数*/
xxx_func2(...)
{
...
/*删除定时器*/
del_timer(&dev->xxx_timer);
...
}
/*定时器处理函数*/
static void xxx_do_timer(unsigned long arg)
{
struct xxx_device *dev = (struct xxx_device *)(arg);
...
/*调度定时器再执行*/
dev->xxx_timer.expires = jiffes + delay;
add_timer(&dev -> xxx_timer);
...
}
//定时器到期时间往往是在jiffies的基础上添加一个时延，若为HZ则表示延迟一秒
5.6. 内核中的延迟工作:
简介:对于这种周期性的工作，Linux提供了一套封装好的快捷机制，本质上利用工作队列和定时器实现，这其中用到两个结构体:
(1)struct delayed_work
{
struct work_struct work;
struct timer_list timer;
};
(2) struct work_struct
{
atomic_long_t data;
...
}
相关操作:
int schedule_delay_work(struct delayed_work *work,unsigned long delay);//当指定的delay到来时delay_work中的work成员的work_func_t类型成员func()会被执行work_func_t类型定义如下:
typedef void (*work_func_t)(struct work_struct *work);//delay参数的单位是jiffes
mescs_to_jiffies(unsigned long mesc);//将毫秒转化成jiffes单位
int cancel_delayed_work(struct delayed_work *work);
int cancel_delayed_work_sync(struct delayed_work *work);//等待直到删除(不能用于中断上下文)
内核延迟的相关函数：
短延迟:
Linux内核提供了如下三个函数分别进行纳秒、微妙和毫秒延迟:
void ndelay(unsigned long nsecs);
void udelay(unsigned long usecs);
void mdelay(unsigned long msecs);
机制:根据CPU频率进行一定次数的循环(忙等待)
注意:在Linux内核中最好不要使用毫秒级的延时，因为这样会无谓消耗CPU的资源。
对于毫秒以上的延时，Linux提供如下函数：
void msleep(unsigned int millisecs);
unsigned long msleep_interruptible(unsigned int millisecs);//可以被打断
void ssleep(unsigned int seconds);
//上述函数使得调用它的进程睡眠指定的时间
长延迟:
机制:设置当前jiffies加上时间间隔的jiffies，直到未来的jiffies达到目标jiffires
/*实例:先延迟100个jiffies再延迟2s*/
unsigned long delay = jiffies + 100;
while(time_before(jiffies,delay));
/*再延迟2s*/
unsigned long delay = jiffies + 2*Hz;
while(time_before(jiffies,delay));//循环直到到达指定的时间与timer_before()相对应的还有一个time_after
睡着延迟:
睡着延迟是比忙等待更好的一种方法
机制:在等待的时间到来之前进程处于睡眠状态，CPU资源被其他进程使用，实现函数有:
schedule_timeout()
schedule_timeout_uninterruptible()
其实在短延迟中的msleep() msleep_interruptible()
本质上都是依赖于此函数实现的，下面两个函数可以让当前进程加入到等待队列中，从而在等待队列上睡眠，当超时发生时，进程被唤醒
sleep_on_timeout(wait_queue_head_t *q,unsigned long timeout);
interruptible_sleep_on_timeout(wait_queue_head_t *q,unsigned long timeout);
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