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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的技術(shù)知識(shí)點(diǎn)是：【中斷程序如何發(fā)送信號(hào)給應(yīng)用層】。

最近分享的幾篇文章都比較基礎(chǔ)，關(guān)于字符類設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，以及中斷處理程序。

也許在現(xiàn)代的項(xiàng)目是用不到這樣的技術(shù)，但是萬丈高樓平地起。

只有明白了這些最基礎(chǔ)的知識(shí)點(diǎn)之后，再去看那些進(jìn)化出來的高級(jí)玩意，才會(huì)有一步一個(gè)腳印的獲得感。

如果缺少了這些基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)，很多深層次的東西，學(xué)起來就有點(diǎn)空中樓閣的感覺。

就好比研究Linux內(nèi)核，如果一上來就從Linux 4.x/5.x內(nèi)核版本開始研究，可以看到很多“歷史遺留”代碼。

這些代碼就見證著Linux一步一步的發(fā)展歷史，甚至有些人還會(huì)專門去研究 Linux 0.11 版本的內(nèi)核源碼，因?yàn)楹芏嗷舅枷攵际且粯拥摹?/p>

今天這篇文章，主要還是以代碼實(shí)例為主，把之前的兩個(gè)知識(shí)點(diǎn)結(jié)合起來：

在中斷處理函數(shù)中，發(fā)送信號(hào)給應(yīng)用層，以此來通知應(yīng)用層處理響應(yīng)的中斷業(yè)務(wù)。

驅(qū)動(dòng)程序

示例代碼全貌

所有的操作都是在 ~/tmp/linux-4.15/drivers 目錄下完成的。

首先創(chuàng)建驅(qū)動(dòng)模塊目錄：

$ cd ~/tmp/linux-4.15/drivers 
$ mkdir my_driver_interrupt_signal 
$ touch my_driver_interrupt_signal.c 

文件內(nèi)容如下：

#include <linux/module.h> 
#include <linux/kernel.h> 
#include <linux/ctype.h> 
#include <linux/device.h> 
#include <linux/cdev.h> 
 
#include <asm/siginfo.h> 
#include <linux/pid.h> 
#include <linux/uaccess.h> 
#include <linux/sched/signal.h> 
#include <linux/pid_namespace.h> 
#include <linux/interrupt.h> 
 
// 中斷號(hào) 
#define IRQ_NUM         1 
 
// 定義驅(qū)動(dòng)程序的 ID，在中斷處理函數(shù)中用來判斷是否需要處理     
#define IRQ_DRIVER_ID   1234 
 
// 設(shè)備名稱 
#define MYDEV_NAME      "mydev" 
 
// 驅(qū)動(dòng)程序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 
struct myirq 
{ 
    int devid; 
}; 
  
struct myirq mydev  ={ IRQ_DRIVER_ID }; 
 
#define KBD_DATA_REG        0x60   
#define KBD_STATUS_REG      0x64 
#define KBD_SCANCODE_MASK   0x7f 
#define KBD_STATUS_MASK     0x80 
 
// 設(shè)備類 
static struct class *my_class; 
 
// 用來保存設(shè)備 
struct cdev my_cdev; 
 
// 用來保存設(shè)備號(hào) 
int mydev_major = 0; 
int mydev_minor = 0; 
 
// 用來保存向誰發(fā)送信號(hào)，應(yīng)用程序通過 ioctl 把自己的進(jìn)程 ID 設(shè)置進(jìn)來。 
static int g_pid = 0; 
 
// 用來發(fā)送信號(hào)給應(yīng)用程序 
static void send_signal(int sig_no) 
{ 
    int ret; 
    struct siginfo info; 
    struct task_struct *my_task = NULL; 
    if (0 == g_pid) 
    { 
        // 說明應(yīng)用程序沒有設(shè)置自己的 PID 
        printk("pid[%d] is not valid! \n", g_pid); 
        return; 
    } 
 
    printk("send signal %d to pid %d \n", sig_no, g_pid); 
 
    // 構(gòu)造信號(hào)結(jié)構(gòu)體 
    memset(&info, 0, sizeof(struct siginfo)); 
    info.si_signo = sig_no; 
    info.si_errno = 100; 
    info.si_code = 200; 
 
    // 獲取自己的任務(wù)信息，使用的是 RCU 鎖 
    rcu_read_lock(); 
    my_task = pid_task(find_vpid(g_pid), PIDTYPE_PID); 
    rcu_read_unlock(); 
 
    if (my_task == NULL) 
    { 
        printk("get pid_task failed! \n"); 
        return; 
    } 
 
    // 發(fā)送信號(hào) 
    ret = send_sig_info(sig_no, &info, my_task); 
    if (ret < 0)  
    { 
           printk("send signal failed! \n"); 
    } 
} 
 
//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 (IRQ_DRIVER_ID == mydev.devid) 
    { 
        // 讀取鍵盤掃描碼 
        key_code = inb(KBD_DATA_REG); 
     
        if (key_code == 0x01) 
        { 
            printk("EXC key is pressed! \n"); 
            send_signal(SIGUSR1); 
        } 
    }    
 
    return IRQ_HANDLED; 
} 
 
// 驅(qū)動(dòng)模塊初始化函數(shù) 
static void myirq_init(void) 
{ 
    printk("myirq_init is called. \n"); 
 
    // 注冊(cè)中斷處理函數(shù) 
    if(request_irq(IRQ_NUM, myirq_handler, IRQF_SHARED, MYDEV_NAME, &mydev)!=0) 
    { 
        printk("register irq[%d] handler failed. \n", IRQ_NUM); 
        return -1; 
    } 
 
    printk("register irq[%d] handler success. \n", IRQ_NUM); 
} 
 
// 當(dāng)應(yīng)用程序打開設(shè)備的時(shí)候被調(diào)用 
static int mydev_open(struct inode *inode, struct file *file) 
{ 
     
    printk("mydev_open is called. \n"); 
    return 0;    
} 
 
static long mydev_ioctl(struct file* file, unsigned int cmd, unsigned long arg) 
{ 
    void __user *pArg; 
    printk("mydev_ioctl is called. cmd = %d \n", cmd); 
    if (100 == cmd) 
    { 
        // 說明應(yīng)用程序設(shè)置進(jìn)程的 PID  
        pArg = (void *)arg; 
        if (!access_ok(VERIFY_READ, pArg, sizeof(int))) 
        { 
            printk("access failed! \n"); 
            return -EACCES; 
        } 
 
        // 把用戶空間的數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)核空間 
        if (copy_from_user(&g_pid, pArg, sizeof(int))) 
        { 
            printk("copy_from_user failed! \n"); 
            return -EFAULT; 
        } 
    } 
 
    return 0; 
} 
 
static const struct file_operations mydev_ops={ 
    .owner = THIS_MODULE, 
    .open  = mydev_open, 
    .unlocked_ioctl = mydev_ioctl 
}; 
 
static int __init mydev_driver_init(void) 
{ 
    int devno; 
    dev_t num_dev; 
 
    printk("mydev_driver_init is called. \n"); 
 
    // 注冊(cè)中斷處理函數(shù) 
    if(request_irq(IRQ_NUM, myirq_handler, IRQF_SHARED, MYDEV_NAME, &mydev)!=0) 
    { 
        printk("register irq[%d] handler failed. \n", IRQ_NUM); 
        return -1; 
    } 
 
    // 動(dòng)態(tài)申請(qǐng)?jiān)O(shè)備號(hào)(嚴(yán)謹(jǐn)點(diǎn)的話，應(yīng)該檢查函數(shù)返回值) 
    alloc_chrdev_region(&num_dev, mydev_minor, 1, MYDEV_NAME); 
 
    // 獲取主設(shè)備號(hào) 
    mydev_major = MAJOR(num_dev); 
    printk("mydev_major = %d. \n", mydev_major); 
 
    // 創(chuàng)建設(shè)備類 
    my_class = class_create(THIS_MODULE, MYDEV_NAME); 
 
    // 創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn) 
    devno = MKDEV(mydev_major, mydev_minor); 
     
    // 初始化cdev結(jié)構(gòu) 
    cdev_init(&my_cdev, &mydev_ops); 
 
    // 注冊(cè)字符設(shè)備 
    cdev_add(&my_cdev, devno, 1); 
 
    // 創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn) 
    device_create(my_class, NULL, devno, NULL, MYDEV_NAME); 
 
    return 0; 
} 
 
static void __exit mydev_driver_exit(void) 
{    
    printk("mydev_driver_exit is called. \n"); 
 
    // 刪除設(shè)備節(jié)點(diǎn) 
    cdev_del(&my_cdev); 
    device_destroy(my_class, MKDEV(mydev_major, mydev_minor)); 
 
    // 釋放設(shè)備類 
    class_destroy(my_class); 
 
    // 注銷設(shè)備號(hào) 
    unregister_chrdev_region(MKDEV(mydev_major, mydev_minor), 1); 
 
    // 注銷中斷處理函數(shù) 
    free_irq(IRQ_NUM, &mydev); 
} 
 
MODULE_LICENSE("GPL"); 
module_init(mydev_driver_init); 
module_exit(mydev_driver_exit); 

以上代碼主要做了兩件事情：

• 注冊(cè)中斷號(hào) 1 的處理函數(shù)：myirq_handler();
• 創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn) /dev/mydev;

這里的中斷號(hào)1，是鍵盤中斷。

因?yàn)樗枪蚕淼闹袛?，因此?dāng)鍵盤被按下的時(shí)候，操作系統(tǒng)就會(huì)依次調(diào)用所有的中斷處理函數(shù)，當(dāng)然就包括我們的驅(qū)動(dòng)程序所注冊(cè)的這個(gè)函數(shù)。

中斷處理部分相關(guān)的幾處關(guān)鍵代碼如下：

//中斷處理函數(shù) 
static irqreturn_t myirq_handler(int irq, void * dev) 
{ 
    ... 
} 
 
// 驅(qū)動(dòng)模塊初始化函數(shù) 
static void myirq_init(void) 
{ 
    ... 
    request_irq(IRQ_NUM, myirq_handler, IRQF_SHARED, MYDEV_NAME, &mydev); 
    ... 
} 

在中斷處理函數(shù)中，目標(biāo)是發(fā)送信號(hào) SIGUSR1 到應(yīng)用層，因此驅(qū)動(dòng)程序需要知道應(yīng)用程序的進(jìn)程號(hào)(PID)。

根據(jù)之前的文章Linux驅(qū)動(dòng)實(shí)踐：驅(qū)動(dòng)程序如何發(fā)送【信號(hào)】給應(yīng)用程序?，應(yīng)用程序必須主動(dòng)把自己的 PID 告訴驅(qū)動(dòng)模塊才可以。這可以通過 write 或者ioctl函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，

驅(qū)動(dòng)程序用來接收 PID 的相關(guān)代碼是：

static long mydev_ioctl(struct file* file, unsigned int cmd, unsigned long arg) 
{ 
    ... 
    if (100 == cmd) 
    { 
        pArg = (void *)arg; 
        ... 
        copy_from_user(&g_pid, pArg, sizeof(int)); 
    } 
} 

知道了應(yīng)用程序的 PID，驅(qū)動(dòng)程序就可以在中斷發(fā)生的時(shí)候(按下鍵盤ESC鍵)，發(fā)送信號(hào)出去了：

static void send_signal(int sig_no) 
{ 
    struct siginfo info; 
    ... 
    send_sig_info(...); 
} 
 
static irqreturn_t myirq_handler(int irq, void * dev) 
{ 
    ... 
    send_signal(SIGUSR1); 
} 

Makefile 文件

ifneq ($(KERNELRELEASE),) 
    obj-m := my_driver_interrupt_signal.o 
else 
    KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build 
    PWD := $(shell pwd) 
default: 
    $(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules 
clean: 
    rm -rf *.o *.ko *.mod.* modules.* Module.*  
    $(MAKE) -C $(KERNEL_PATH) M=$(PWD) clean 
endif 

編譯、測(cè)試

首先查看一下加載驅(qū)動(dòng)模塊之前，1號(hào)中斷的所有驅(qū)動(dòng)程序：

再看一下設(shè)備號(hào)：

$ cat /proc/devices 

因?yàn)轵?qū)動(dòng)注冊(cè)在創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)的時(shí)候，是動(dòng)態(tài)請(qǐng)求系統(tǒng)分配的。

根據(jù)之前的幾篇文章可以知道，系統(tǒng)一般會(huì)分配244這個(gè)主設(shè)備號(hào)給我們，此刻還不存在這個(gè)設(shè)備號(hào)。

編譯、加載驅(qū)動(dòng)模塊：

$ make 
$ sudo insmod my_driver_interrupt_signal.ko 

首先看一下 dmesg 的輸出信息：

然后看一下中斷驅(qū)動(dòng)程序：

可以看到我們的驅(qū)動(dòng)程序( mydev )已經(jīng)登記在1號(hào)中斷的最右面。

最后看一下設(shè)備節(jié)點(diǎn)情況：

驅(qū)動(dòng)模塊已經(jīng)準(zhǔn)備妥當(dāng)，下面就是應(yīng)用程序了。

應(yīng)用程序

應(yīng)用程序的主要功能就是兩部分：

通過 ioctl 函數(shù)把自己的 PID 告訴驅(qū)動(dòng)程序;

注冊(cè)信號(hào) SIGUSR1 的處理函數(shù);

示例代碼全貌

#include <stdio.h> 
#include <stdlib.h> 
#include <unistd.h> 
#include <assert.h> 
#include <fcntl.h> 
#include <sys/ioctl.h> 
#include <signal.h> 
 
 
char *dev_name = "/dev/mydev"; 
 
// 信號(hào)處理函數(shù) 
static void signal_handler(int signum, siginfo_t *info, void *context) 
{ 
    // 打印接收到的信號(hào)值 
    printf("signal_handler: signum = %d \n", signum); 
    printf("signo = %d, code = %d, errno = %d \n", 
             info->si_signo, 
             info->si_code,  
             info->si_errno); 
} 
 
int main(int argc, char *argv[]) 
{ 
    int fd, count = 0; 
    int pid = getpid(); 
 
    // 打開GPIO 
    if((fd = open(dev_name, O_RDWR | O_NDELAY)) < 0){ 
        printf("open dev failed! \n"); 
        return -1; 
    } 
 
    printf("open dev success! \n"); 
     
    // 注冊(cè)信號(hào)處理函數(shù) 
    struct sigaction sa; 
    sigemptyset(&sa.sa_mask); 
    sa.sa_sigaction = &signal_handler; 
    sa.sa_flags = SA_SIGINFO; 
     
    sigaction(SIGUSR1, &sa, NULL); 
 
    // set PID  
    printf("call ioctl. pid = %d \n", pid); 
    ioctl(fd, 100, &pid); 
 
    // 死循環(huán)，等待接收信號(hào) 
    while (1) 
        sleep(1); 
 
    // 關(guān)閉設(shè)備 
    close(fd); 
} 

在應(yīng)用程序的最后，是一個(gè) while(1) 死循環(huán)。因?yàn)橹挥性诎聪骆I盤上的ESC按鍵時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序才會(huì)發(fā)送信號(hào)上來，因此應(yīng)用程序需要一直存活著。

編譯、測(cè)試

新開一個(gè)中斷窗口，編譯、執(zhí)行應(yīng)用程序：

$ gcc my_interrupt_singal.c -o my_interrupt_singal 
$ sudo ./my_interrupt_singal 
open dev success!  
call ioctl. pid = 12907 
 
// 這里進(jìn)入 while 循環(huán) 

由于應(yīng)用程序調(diào)用了 open 和 ioctl 這兩個(gè)函數(shù)，因此，驅(qū)動(dòng)程序中兩個(gè)對(duì)應(yīng)的函數(shù)就會(huì)被執(zhí)行。

這可以通過 dmesg 命令的輸出信息看出來：

這個(gè)時(shí)候，按下鍵盤上的 ESC 鍵，此時(shí)驅(qū)動(dòng)程序中打印如下信息：

說明：驅(qū)動(dòng)程序捕獲到了鍵盤上的 ESC 鍵，并且發(fā)送信號(hào)給應(yīng)用程序了。

在執(zhí)行應(yīng)用程序的終端窗口中，可以看到如下輸出信息：

 說明：應(yīng)用程序接收到了驅(qū)動(dòng)程序發(fā)來的信號(hào)!