Linux驅動實踐：一起來梳理【中斷】的前世今生(附代碼)
別人的經驗，我們的階梯!
大家好，我是道哥，今天我為大伙兒解說的技術知識點是：【Linux 中斷的注冊和處理】。
在前兩篇文章中，描述的是在應用層如何調用驅動函數來控制GPIO，以及在驅動中如何發送發送信號給應用層。
假如存在這樣一個需求：應用程序需要監控某個硬件GPIO口的電平狀態，當發生變化時，應用程序就做出相應的動作。
利用之前已經介紹的知識，是可以完成這個需求的。
比如：在驅動程序中不停的讀取GPIO口的狀態，一旦發生變化，就把新的電平狀態通過信號發送到應用層。
這樣的方式稱作:輪詢。
輪詢方式的缺點顯而易見：輪詢的時間間隔應該是多少毫秒(or 微秒)，才比較合適呢?
輪詢太慢：可能會丟失信號;輪詢太快：消耗 CPU 資源!
因此，在實際的產品中，用中斷觸發的方式才是更切合實際的選擇!
本文所有的描述和測試，都是在 x86 平臺上完成的;
Linux 中斷的知識點梳理
中斷的分類
Linux 的版本在持續更新，對中斷的處理方式也在不停的發生變化。
下面幾張圖，是以前在學習時畫的思維導圖。
這幾張圖比較清晰地描述了在Linux操作系統中，關于中斷的一些基本概念。
這張圖的結構還是比較清晰的，基本上概括了Linux系統中的中斷分類。
另外，在很多關于中斷的書籍中，大部分都是從基礎的 PIC(可編程中斷控制器)開始講解的。
如果您想非常具體、專業、深入的了解關于中斷的相關內容，有一篇文章《Interrupt in Linux.pdf》講得非常好(文章的后面部分我也沒有看懂)。
在文末有下載鏈接，感興趣的小伙伴可以學習一下。
中斷號和中斷向量
這張圖只要記住中斷號與中斷向量的關系就可以了：
- 中斷號與中斷控制器(PIC/APIC)相關;
- 中斷向量與 CPU 相關，用來查找中斷處理函數的入口地址;
中斷服務例程 ISR
中斷服務程序，就是針對每一個中斷如何進行處理。
如果您了解Linux中斷的相關內容，一定會看到這樣的描述：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間，主要處理與硬件相關的重要工作;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，用來完成下半部分工作有好幾種機制可以選擇，每一種方式都是針對不同的需求場景。
在每一種下半部分機制中，Linux都設計了非常方便的接口函數。
作為開發者的我們來說，使用這些下半部分的機制很簡單，只需要幾個函數調用即可。
例如：如果使用工作隊列來實現下半部分的工作，只需要2步動作：
1. 定義處理函數
- static struct work_struct mywork;
- static void mywork_handler(struct work_struct *work)
- {
- printk("This is myword_handler...\n");
- }
2. 在中斷處理函數中，注冊注冊函數
- NIT_WORK(&mywork, mywork_handler);
- schedule_work(&mywork);
下面幾張圖，是針對每一種“下半部分”處理機制的一些特點，注意：有些機制在新版本中已經廢棄不用了，了解即可。
中斷處理的注冊和注銷 API
所謂的中斷注冊，就是告訴操作系統：我對哪個中斷感興趣。
當這些中斷發生的時候，請通知我。通知的方式就是：調用一個預先注冊好的回調函數。
驅動程序可以通過函數 request_irq()，向操作系統注冊，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);
參數說明:
irq: 申請的硬件中斷號;
handler: 中斷處理函數。一旦中斷發生，這個函數就被調用;
flags: 中斷的屬性，例如：IRQF_DISABLED，IRQF_TIMER，IRQF_SHARED;
devname: 中斷驅動程序的名稱，在 /proc/interrupts 文件中看到對應的內容;
dev_id: 中斷程序的唯一標識，比如：在共享中斷中，可以用來區分不同的中斷處理程序;
驅動程序通過函數 free_irq()，向操作系統注銷一個中斷處理函數：
- void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);
參數說明:
irq: 硬件中斷號;
dev_id: 中斷程序的唯一標識;
實操：捕獲鍵盤中斷
示例代碼
有了上面的知識鋪墊，下面就來實操一下，實現的功能是：
捕獲鍵盤的中斷，在中斷處理函數中，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
文件內容：
- #include <linux/kernel.h>
- #include <linux/module.h>
- #include <linux/interrupt.h>
- // 中斷號
- static int irq;
- // 驅動程序名稱
- static char * devname;
- // 用來接收加載驅動模塊時傳入的參數
- module_param(irq, int, 0644);
- module_param(devname, charp, 0644);
- // 定義驅動程序的 ID，在中斷處理函數中用來判斷是否需要處理
- #define MY_DEV_ID 1211
- // 驅動程序數據結構
- struct myirq
- {
- int devid;
- };
- // 保存驅動程序的所有信息
- struct myirq mydev ={ MY_DEV_ID };
- // 鍵盤相關的 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
- static irqreturn_t myirq_handler(int irq, void * dev)
- {
- struct myirq mydev;
- unsigned char key_code;
- mydev = *(struct myirq*)dev;
- // 檢查設備 id，只有當相等的時候才需要處理
- 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，每次按鍵都會打印出很多信息
- 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;
- }
- // 驅動模塊初始化函數
- static int __init myirq_init(void)
- {
- printk("myirq_init is called. \n");
- // 注冊中斷處理函數
- 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;
- }
- // 驅動模塊退出函數
- static void __exit myirq_exit(void)
- {
- printk("myirq_exit is called. \n");
- // 注銷中斷處理函數
- free_irq(irq, &mydev);
- }
- MODULE_LICENSE("GPL");
- module_init(myirq_init);
- module_exit(myirq_exit);
上面的代碼，有兩個小的知識點。
向驅動程序傳參
示例代碼中，在調用 request_irq 時，需要指定中斷號和驅動程序的名稱。
這兩個參數是在加載驅動模塊的時候，從命令行傳入的。
在驅動程序中，通過下面兩行代碼即可實現參數的接收：
- module_param(irq, int, 0644);
- module_param(devname, charp, 0644);
module_param 是一個宏定義，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: 存儲參數的變量名;
type: 變量的類型;
perm: 訪問參數的權限，表示此參數在sysfs文件系統中所對應的文件節點的屬性;
IO地址：IO端口和IO內存
這是讀取 IO 外設的兩種不同方式。
IO 端口有兩種編址方式：統一編址和獨立編址。
統一編制
把主存單元所在的地址空間，劃出一部分出來，專門用來把IO外設寄存器的地址映射到這部分劃出來的地址空間中。
統一編址的好處是：讀取IO外設的時候，就好像讀取普通的內存地址空間中的數據一樣。
獨立編址
IO 外設的地址空間，與主存單元的地址空間是兩個獨立的地址空間，此時，IO地址一般稱作: IO端口。
我們在讀寫IO外設的時候，從這些 “IO端口” 中讀寫就可以了。不同的外設，被分配了不同的 IO 端口號。
CPU 提供了一些列函數來讀寫 IO 端口，例如：
- // 讀寫一個字節
- unsigned inb(unsigned port);
- void outb(unsigned char byte, unsigned port);
- // 讀寫一個字
- unsigned inw(unsigned port);
- void outw(unsigned short word, unsigned port);
編譯、驗證
編譯驅動模塊：
- $ make
- 輸出文件：driver_interrupt.ko
因為我們捕獲的是鍵盤中斷(中斷號：1)，先看一下在加載驅動模塊之前的中斷驅動程序 head /proc/interrupts：
可以把 demsg 的輸出也清理一下：dmesg -c
執行下面指令來加載驅動模塊(傳遞2個參數)：
- insmod driver_interrupt.ko irq=1 devname=myirq
再次執行一下指令 head /proc/interrupts 查看驅動程序：
在中斷號 1 的右側，是不是看到了我們的驅動程序：my_irq?
再來看一下 dmesg 的輸出信息：
成功注冊了中斷號1的處理函數!
此時，按幾次鍵盤左上角的 ESC 鍵，然后再查看 dmesg 的輸出信息：
以上，就是最簡單的中斷注冊和相應的中斷處理函數!
在實際的項目中，如果要把中斷信息通知到應用層，可以通過上一篇文章介紹的發送信號來實現，或者通過其他的回調機制也可以。
下一篇文章，我們在這個示例代碼上進行擴展，看一下：中斷處理中每一個“下半部分”機制應該如何編程。
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