Linux驅(qū)動(dòng)實(shí)踐：一起來(lái)梳理【中斷】的前世今生(附代碼)
別人的經(jīng)驗(yàn)，我們的階梯!
大家好，我是道哥，今天我為大伙兒解說(shuō)的技術(shù)知識(shí)點(diǎn)是：【Linux 中斷的注冊(cè)和處理】。
在前兩篇文章中，描述的是在應(yīng)用層如何調(diào)用驅(qū)動(dòng)函數(shù)來(lái)控制GPIO，以及在驅(qū)動(dòng)中如何發(fā)送發(fā)送信號(hào)給應(yīng)用層。
假如存在這樣一個(gè)需求：應(yīng)用程序需要監(jiān)控某個(gè)硬件GPIO口的電平狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)用程序就做出相應(yīng)的動(dòng)作。
利用之前已經(jīng)介紹的知識(shí)，是可以完成這個(gè)需求的。
比如：在驅(qū)動(dòng)程序中不停的讀取GPIO口的狀態(tài)，一旦發(fā)生變化，就把新的電平狀態(tài)通過(guò)信號(hào)發(fā)送到應(yīng)用層。
這樣的方式稱作:輪詢。
輪詢方式的缺點(diǎn)顯而易見(jiàn)：輪詢的時(shí)間間隔應(yīng)該是多少毫秒(or 微秒)，才比較合適呢?
輪詢太慢：可能會(huì)丟失信號(hào);輪詢太快：消耗 CPU 資源!
因此，在實(shí)際的產(chǎn)品中，用中斷觸發(fā)的方式才是更切合實(shí)際的選擇!
本文所有的描述和測(cè)試，都是在 x86 平臺(tái)上完成的;
Linux 中斷的知識(shí)點(diǎn)梳理
中斷的分類
Linux 的版本在持續(xù)更新，對(duì)中斷的處理方式也在不停的發(fā)生變化。
下面幾張圖，是以前在學(xué)習(xí)時(shí)畫(huà)的思維導(dǎo)圖。
這幾張圖比較清晰地描述了在Linux操作系統(tǒng)中，關(guān)于中斷的一些基本概念。
這張圖的結(jié)構(gòu)還是比較清晰的，基本上概括了Linux系統(tǒng)中的中斷分類。
另外，在很多關(guān)于中斷的書(shū)籍中，大部分都是從基礎(chǔ)的 PIC(可編程中斷控制器)開(kāi)始講解的。
如果您想非常具體、專業(yè)、深入的了解關(guān)于中斷的相關(guān)內(nèi)容，有一篇文章《Interrupt in Linux.pdf》講得非常好(文章的后面部分我也沒(méi)有看懂)。
在文末有下載鏈接，感興趣的小伙伴可以學(xué)習(xí)一下。
中斷號(hào)和中斷向量
這張圖只要記住中斷號(hào)與中斷向量的關(guān)系就可以了：
- 中斷號(hào)與中斷控制器(PIC/APIC)相關(guān);
- 中斷向量與 CPU 相關(guān)，用來(lái)查找中斷處理函數(shù)的入口地址;
中斷服務(wù)例程 ISR
中斷服務(wù)程序，就是針對(duì)每一個(gè)中斷如何進(jìn)行處理。
如果您了解Linux中斷的相關(guān)內(nèi)容，一定會(huì)看到這樣的描述：中斷處理分為上半部分和下半部分。
上半部分不能消耗太多的時(shí)間，主要處理與硬件相關(guān)的重要工作;其他不重要的工作，都放在下半部分去做。
從上面這張圖中可以看出，用來(lái)完成下半部分工作有好幾種機(jī)制可以選擇，每一種方式都是針對(duì)不同的需求場(chǎng)景。
在每一種下半部分機(jī)制中，Linux都設(shè)計(jì)了非常方便的接口函數(shù)。
作為開(kāi)發(fā)者的我們來(lái)說(shuō)，使用這些下半部分的機(jī)制很簡(jiǎn)單，只需要幾個(gè)函數(shù)調(diào)用即可。
例如：如果使用工作隊(duì)列來(lái)實(shí)現(xiàn)下半部分的工作，只需要2步動(dòng)作：
1. 定義處理函數(shù)
- static struct work_struct mywork;
- static void mywork_handler(struct work_struct *work)
- {
- printk("This is myword_handler...\n");
- }
2. 在中斷處理函數(shù)中，注冊(cè)注冊(cè)函數(shù)
- NIT_WORK(&mywork, mywork_handler);
- schedule_work(&mywork);
下面幾張圖，是針對(duì)每一種“下半部分”處理機(jī)制的一些特點(diǎn)，注意：有些機(jī)制在新版本中已經(jīng)廢棄不用了，了解即可。
中斷處理的注冊(cè)和注銷 API
所謂的中斷注冊(cè)，就是告訴操作系統(tǒng)：我對(duì)哪個(gè)中斷感興趣。
當(dāng)這些中斷發(fā)生的時(shí)候，請(qǐng)通知我。通知的方式就是：調(diào)用一個(gè)預(yù)先注冊(cè)好的回調(diào)函數(shù)。
驅(qū)動(dòng)程序可以通過(guò)函數(shù) request_irq()，向操作系統(tǒng)注冊(cè)，并且激活指定的中斷線：
- int request_irq(unsigned int irq,
- irq_handler_t handler,
- unsigned long flags,
- const char *devname,
- void *dev_id);
參數(shù)說(shuō)明:
irq: 申請(qǐng)的硬件中斷號(hào);
handler: 中斷處理函數(shù)。一旦中斷發(fā)生，這個(gè)函數(shù)就被調(diào)用;
flags: 中斷的屬性，例如：IRQF_DISABLED，IRQF_TIMER，IRQF_SHARED;
devname: 中斷驅(qū)動(dòng)程序的名稱，在 /proc/interrupts 文件中看到對(duì)應(yīng)的內(nèi)容;
dev_id: 中斷程序的唯一標(biāo)識(shí)，比如：在共享中斷中，可以用來(lái)區(qū)分不同的中斷處理程序;
驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)函數(shù) free_irq()，向操作系統(tǒng)注銷一個(gè)中斷處理函數(shù)：
- void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);
參數(shù)說(shuō)明:
irq: 硬件中斷號(hào);
dev_id: 中斷程序的唯一標(biāo)識(shí);
實(shí)操：捕獲鍵盤中斷
示例代碼
有了上面的知識(shí)鋪墊，下面就來(lái)實(shí)操一下，實(shí)現(xiàn)的功能是：
捕獲鍵盤的中斷，在中斷處理函數(shù)中，打印出按鍵的掃描碼，如果是 ESC 鍵被按下，就打印出指定的信息。
與往常一樣，操作的目錄位于：tmp/linux-4.15/drivers 目錄下。
- $ mkdir my_driver_interrupt
- $ touch driver_interrupt.c
文件內(nèi)容：
- #include <linux/kernel.h>
- #include <linux/module.h>
- #include <linux/interrupt.h>
- // 中斷號(hào)
- static int irq;
- // 驅(qū)動(dòng)程序名稱
- static char * devname;
- // 用來(lái)接收加載驅(qū)動(dòng)模塊時(shí)傳入的參數(shù)
- module_param(irq, int, 0644);
- module_param(devname, charp, 0644);
- // 定義驅(qū)動(dòng)程序的 ID，在中斷處理函數(shù)中用來(lái)判斷是否需要處理
- #define MY_DEV_ID 1211
- // 驅(qū)動(dòng)程序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
- struct myirq
- {
- int devid;
- };
- // 保存驅(qū)動(dòng)程序的所有信息
- struct myirq mydev ={ MY_DEV_ID };
- // 鍵盤相關(guān)的 IO 端口
- #define KBD_DATA_REG 0x60
- #define KBD_STATUS_REG 0x64
- #define KBD_SCANCODE_MASK 0x7f
- #define KBD_STATUS_MASK 0x80
- // 中斷處理函數(shù)
- static irqreturn_t myirq_handler(int irq, void * dev)
- {
- struct myirq mydev;
- unsigned char key_code;
- mydev = *(struct myirq*)dev;
- // 檢查設(shè)備 id，只有當(dāng)相等的時(shí)候才需要處理
- if (MY_DEV_ID == mydev.devid)
- {
- // 讀取鍵盤掃描碼
- key_code = inb(KBD_DATA_REG);
- /* 這里如果放開(kāi)，每次按鍵都會(huì)打印出很多信息
- printk("key_code: %x %s\n",
- key_code & KBD_SCANCODE_MASK,
- key_code & KBD_STATUS_MASK ? "released" : "pressed");
- */
- // 判斷：是否為 ESC 鍵
- if (key_code == 0x01)
- {
- printk("EXC key is pressed! \n");
- }
- }
- return IRQ_HANDLED;
- }
- // 驅(qū)動(dòng)模塊初始化函數(shù)
- static int __init myirq_init(void)
- {
- printk("myirq_init is called. \n");
- // 注冊(cè)中斷處理函數(shù)
- if(request_irq(irq, myirq_handler, IRQF_SHARED, devname, &mydev)!=0)
- {
- printk("register irq[%d] handler failed. \n", irq);
- return -1;
- }
- printk("register irq[%d] handler success. \n", irq);
- return 0;
- }
- // 驅(qū)動(dòng)模塊退出函數(shù)
- static void __exit myirq_exit(void)
- {
- printk("myirq_exit is called. \n");
- // 注銷中斷處理函數(shù)
- free_irq(irq, &mydev);
- }
- MODULE_LICENSE("GPL");
- module_init(myirq_init);
- module_exit(myirq_exit);
上面的代碼，有兩個(gè)小的知識(shí)點(diǎn)。
向驅(qū)動(dòng)程序傳參
示例代碼中，在調(diào)用 request_irq 時(shí)，需要指定中斷號(hào)和驅(qū)動(dòng)程序的名稱。
這兩個(gè)參數(shù)是在加載驅(qū)動(dòng)模塊的時(shí)候，從命令行傳入的。
在驅(qū)動(dòng)程序中，通過(guò)下面兩行代碼即可實(shí)現(xiàn)參數(shù)的接收：
- module_param(irq, int, 0644);
- module_param(devname, charp, 0644);
module_param 是一個(gè)宏定義，定義在 include/linux/moduleparam.h 文件中，具體定義如下：
- #define module_param(name, type, perm)
- module_param_named(name, name, type, perm);
name: 存儲(chǔ)參數(shù)的變量名;
type: 變量的類型;
perm: 訪問(wèn)參數(shù)的權(quán)限，表示此參數(shù)在sysfs文件系統(tǒng)中所對(duì)應(yīng)的文件節(jié)點(diǎn)的屬性;
IO地址：IO端口和IO內(nèi)存
這是讀取 IO 外設(shè)的兩種不同方式。
IO 端口有兩種編址方式：統(tǒng)一編址和獨(dú)立編址。
統(tǒng)一編制
把主存單元所在的地址空間，劃出一部分出來(lái)，專門用來(lái)把IO外設(shè)寄存器的地址映射到這部分劃出來(lái)的地址空間中。
統(tǒng)一編址的好處是：讀取IO外設(shè)的時(shí)候，就好像讀取普通的內(nèi)存地址空間中的數(shù)據(jù)一樣。
獨(dú)立編址
IO 外設(shè)的地址空間，與主存單元的地址空間是兩個(gè)獨(dú)立的地址空間，此時(shí)，IO地址一般稱作: IO端口。
我們?cè)谧x寫IO外設(shè)的時(shí)候，從這些 “IO端口” 中讀寫就可以了。不同的外設(shè)，被分配了不同的 IO 端口號(hào)。
CPU 提供了一些列函數(shù)來(lái)讀寫 IO 端口，例如：
- // 讀寫一個(gè)字節(jié)
- unsigned inb(unsigned port);
- void outb(unsigned char byte, unsigned port);
- // 讀寫一個(gè)字
- unsigned inw(unsigned port);
- void outw(unsigned short word, unsigned port);
編譯、驗(yàn)證
編譯驅(qū)動(dòng)模塊：
- $ make
- 輸出文件：driver_interrupt.ko
因?yàn)槲覀儾东@的是鍵盤中斷(中斷號(hào)：1)，先看一下在加載驅(qū)動(dòng)模塊之前的中斷驅(qū)動(dòng)程序 head /proc/interrupts：
可以把 demsg 的輸出也清理一下：dmesg -c
執(zhí)行下面指令來(lái)加載驅(qū)動(dòng)模塊(傳遞2個(gè)參數(shù))：
- insmod driver_interrupt.ko irq=1 devname=myirq
再次執(zhí)行一下指令 head /proc/interrupts 查看驅(qū)動(dòng)程序：
在中斷號(hào) 1 的右側(cè)，是不是看到了我們的驅(qū)動(dòng)程序：my_irq?
再來(lái)看一下 dmesg 的輸出信息：
成功注冊(cè)了中斷號(hào)1的處理函數(shù)!
此時(shí)，按幾次鍵盤左上角的 ESC 鍵，然后再查看 dmesg 的輸出信息：
以上，就是最簡(jiǎn)單的中斷注冊(cè)和相應(yīng)的中斷處理函數(shù)!
在實(shí)際的項(xiàng)目中，如果要把中斷信息通知到應(yīng)用層，可以通過(guò)上一篇文章介紹的發(fā)送信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，或者通過(guò)其他的回調(diào)機(jī)制也可以。
下一篇文章，我們?cè)谶@個(gè)示例代碼上進(jìn)行擴(kuò)展，看一下：中斷處理中每一個(gè)“下半部分”機(jī)制應(yīng)該如何編程。
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