Linux內(nèi)核中斷設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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裸機(jī)編程中使用中斷比較麻煩，需要配置寄存器、使能IRQ等等。而在Linux驅(qū)動(dòng)編程中，內(nèi)核提供了完善的終端框架，只需要申請(qǐng)中斷，然后注冊(cè)中斷處理函數(shù)即可，使用非常方便

1. 內(nèi)核中斷

Linux內(nèi)核中斷分為上半部和下半部，其主要目的就是實(shí)現(xiàn)中斷處理函數(shù)的快進(jìn)快出，兩者的區(qū)別如下：

• 上半部：就是中斷處理函數(shù)，處理過(guò)程比較快，不會(huì)占用很長(zhǎng)時(shí)間

• 下半部：若中斷處理過(guò)程很耗時(shí)，就將這些代碼提出來(lái)，交給下半部去執(zhí)行，這樣中斷處理函數(shù)就會(huì)快進(jìn)快出

一般情況下，若要處理的內(nèi)容不希望被其他中斷打斷、要處理的任務(wù)對(duì)時(shí)間敏感或者要處理的任務(wù)與硬件有關(guān)，通常放到上半部；其他情況優(yōu)先考慮放到下半部

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2. 中斷下半部實(shí)現(xiàn)方式

上半部直接編寫(xiě)中斷處理函數(shù)處理即可，下半部的實(shí)現(xiàn)方式主要有如下三種：

?軟中斷：內(nèi)核使用結(jié)構(gòu)體softirq_action表示軟中斷，定義在文件include/linux/interrupt.h中

struct?softirq_action{
?void?(*action)(struct?softirq_action?*);
}
//文件?kernel/softirq.c?中共定義了10個(gè)軟中斷
static?struct?softirq_action?softirq_vec[NR_SOFTIRQS];
//NR_SOFTIRQS?是枚舉類(lèi)型，定義在文件?include/linux/interrupt.h中
enum
{
?HI_SOFTIRQ=0,???   /*?高優(yōu)先級(jí)軟中斷?*/
?TIMER_SOFTIRQ,???  /*?定時(shí)器軟中斷?*/
?NET_TX_SOFTIRQ,??  /*?網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送軟中斷?*/
?NET_RX_SOFTIRQ,??  /*?網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收軟中斷?*/
?BLOCK_SOFTIRQ,
?BLOCK_IOPOLL_SOFTIRQ,
?TASKLET_SOFTIRQ,?? /*?tasklet?軟中斷?*/
?SCHED_SOFTIRQ,?????/*?調(diào)度軟中斷?*/
?HRTIMER_SOFTIRQ,?? /*?高精度定時(shí)器軟中斷?*/
?RCU_SOFTIRQ,???????/*?RCU?軟中斷?*/
?NR_SOFTIRQS
};

軟中斷的使用方法如下示：

• 先使用open_softirq函數(shù)注冊(cè)對(duì)應(yīng)的軟中斷處理函數(shù)

• 注冊(cè)好軟中斷后，需要通過(guò)raise_softirq函數(shù)觸發(fā)

• 軟中斷一定要在編譯的時(shí)候靜態(tài)注冊(cè)，使用softirq_init函數(shù)來(lái)靜態(tài)注冊(cè)

tasklet：是利用軟中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)的另一種下半部機(jī)制，兩者之間，建議使用 tasklet，內(nèi)核使用tasklet_struct結(jié)構(gòu)體來(lái)表示tasklet

struct?tasklet_struct
{
?struct?tasklet_struct?*next;?? /*?下一個(gè)?tasklet?*/
?unsigned?long?state;???? ????  /*?tasklet?狀態(tài)?*/
?atomic_t?count;?????????????   /*?計(jì)數(shù)器，記錄對(duì)?tasklet?的引用數(shù)?*/
?void?(*func)(unsigned?long);?? /*?tasklet?執(zhí)行的函數(shù)?*/
?unsigned?long?data;????????????/*?函數(shù)?func?的參數(shù)?*/
};

tasklet?的使用方法如下示：

• 先定義一個(gè)tasklet，然后使用tasklet_init函數(shù)初始化tasklet

• 也可用宏DECLARE_TASKLET()來(lái)一次性完成tasklet的定義和初始化?

• 在上半部（即中斷處理函數(shù)）中調(diào)用tasklet_schedule函數(shù)使tasklet處理函數(shù)在合適的時(shí)間運(yùn)行

tasklet的參考使用示例如下所示：

/*?定義?taselet?*/
struct?tasklet_struct?testtasklet;
/*?tasklet?處理函數(shù)?*/
void?testtasklet_func(unsigned?long?data)
{
?/*?tasklet?具體處理內(nèi)容?*/
}
/*?中斷處理函數(shù)?*/
irqreturn_t?test_handler(int?irq,?void?*dev_id)
{
?......
?/*?調(diào)度?tasklet?*/
?tasklet_schedule(&testtasklet);
?......
}
/*?驅(qū)動(dòng)入口函數(shù)?*/
static?int?__init?xxxx_init(void)
{
?......
?/*?初始化?tasklet?*/
?tasklet_init(&testtasklet,?testtasklet_func,?data);
?/*?注冊(cè)中斷處理函數(shù)?*/
?request_irq(xxx_irq,?test_handler,?0,?"xxx",?&xxx_dev);
?......
}

?工作隊(duì)列：在進(jìn)程上下文執(zhí)行，工作隊(duì)列將要推后的工作交給一個(gè)內(nèi)核線程去執(zhí)行，工作隊(duì)列允許睡眠或重新調(diào)度。因此若你要推后的工作需要睡眠功能，就可選擇工作隊(duì)列，否則就只能選擇軟中斷或tasklet

//內(nèi)核使用?work_struct?結(jié)構(gòu)體表示一個(gè)工作
struct?work_struct?{
?atomic_long_t?data;
?struct?list_head?entry;
?work_func_t?func;?? /*?工作隊(duì)列處理函數(shù)?*/
};

tasklet?的使用方法如下示：

• 先定義一個(gè)work，然后使用INIT_WORK()宏函數(shù)來(lái)初始化工作

• 也可以使用DECLARE_WORK()宏函數(shù)一次性完成work的創(chuàng)建和初始化

• 在上半部（即中斷處理函數(shù)）中調(diào)用schedule_work函數(shù)使work處理函數(shù)在合適的時(shí)間運(yùn)行

工作隊(duì)列的參考使用示例如下所示：

/*?定義工作(work)?*/
struct?work_struct?testwork;
/*?work?處理函數(shù)?*/
void?testwork_func_t(struct?work_struct?*work);
{
?/*?work?具體處理內(nèi)容?*/
}
/*?中斷處理函數(shù)?*/
irqreturn_t?test_handler(int?irq,?void?*dev_id)
{
?......
?/*?調(diào)度?work?*/
?schedule_work(&testwork);
?......
}
/*?驅(qū)動(dòng)入口函數(shù)?*/
static?int?__init?xxxx_init(void)
{
?......
?/*?初始化?work?*/
?INIT_WORK(&testwork,?testwork_func_t);
?/*?注冊(cè)中斷處理函數(shù)?*/
?request_irq(xxx_irq,?test_handler,?0,?"xxx",?&xxx_dev);
?......
}

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3. 中斷API函數(shù)

每個(gè)中斷都有一個(gè)中斷號(hào)，通過(guò)中斷號(hào)可區(qū)分不同的中斷。在Linux內(nèi)核中使用一個(gè) int 變量表示中斷號(hào)

request_irq函數(shù)：申請(qǐng)中斷，會(huì)激活中斷，所以無(wú)需手動(dòng)使能中斷

int?request_irq(unsigned?int??irq,
????irq_handler_t?handler,
????unsigned?long?flags,
????const?char??*name,
????void???*dev)
//irq：要申請(qǐng)中斷的中斷號(hào)
//handler：中斷處理函數(shù)，中斷發(fā)生后會(huì)執(zhí)行此函數(shù)
//flags：中斷標(biāo)志，在include/linux/interrupt.h中定義
//name：中斷名字，設(shè)置后可以在/proc/interrupts中看到對(duì)應(yīng)的中斷名字
//dev：若flags設(shè)置為IRQF_SHARED的話，dev用來(lái)區(qū)分不同的中斷
//返回值：0表示中斷申請(qǐng)成功，其他負(fù)值表示中斷申請(qǐng)失敗，-EBUSY表示中斷已被申請(qǐng)

free_irq函數(shù)：釋放中斷，會(huì)刪除中斷處理函數(shù)并且禁止中斷

void?free_irq(unsigned?int?irq,
?????void?*dev)
//irq：要釋放的中斷
//dev：若flags設(shè)置為IRQF_SHARED的話，dev用來(lái)區(qū)分不同的中斷
//?????共享中斷只有在釋放最后中斷處理函數(shù)的時(shí)候才會(huì)被禁止掉
//返回值：無(wú)

中斷處理函數(shù)：申請(qǐng)中斷時(shí)需要設(shè)置中斷處理函數(shù)，格式如下

irqreturn_t?(*irq_handler_t)?(int,?void?*)
//返回值irqreturn_t是一個(gè)枚舉類(lèi)型，共有三種返回值：
enum?irqreturn?{
?IRQ_NONE?=?(0?<0),
?IRQ_HANDLED?=?(1?<0),
?IRQ_WAKE_THREAD?=?(1?<1),
};
typedef?enum?irqreturn?irqreturn_t;
//一般中斷服務(wù)函數(shù)返回值使用形式為：
return?IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED)

中斷使能與禁止函數(shù)

void?enable_irq(unsigned?int?irq);?//使能指定的中斷
void?disable_irq(unsigned?int?irq);?//禁止中斷，會(huì)等當(dāng)前處理函數(shù)執(zhí)行完才返回
void?disable_irq_nosync(unsigned?int?irq);?//禁止中斷，不等執(zhí)行完，立即返回
local_irq_enable();??//使能當(dāng)前處理器中斷系統(tǒng)
local_irq_disable();?//禁止當(dāng)前處理器中斷系統(tǒng)
local_irq_save(flags);?//禁止中斷，并將中斷狀態(tài)保存在flags中
local_irq_restore(flags);??//恢復(fù)中斷，并將中斷狀態(tài)保存在flags中

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4. 內(nèi)核中斷使用模板

以上半部中斷為例，介紹內(nèi)核中斷的使用流程：

設(shè)備樹(shù)中與中斷有關(guān)的設(shè)備樹(shù)屬性信息有：

#interrupt-cells?//指定中斷源的信息?cells?個(gè)數(shù)
interrupt-controller?//表示當(dāng)前節(jié)點(diǎn)為中斷控制器
interrupts?//指定中斷號(hào)，觸發(fā)方式等
interrupt-parent?//指定父中斷，也就是中斷控制器

獲取中斷號(hào)函數(shù)有兩個(gè)，如下示：

unsigned?int?irq_of_parse_and_map(struct?device_node?*dev,?int?index)
//dev：設(shè)備節(jié)點(diǎn)
//index：索引號(hào)，通過(guò)索引號(hào)來(lái)指定要獲取的信息
//返回值：中斷號(hào)
/*****若使用GPIO中斷，可以下函數(shù)來(lái)獲取對(duì)應(yīng)中斷號(hào)*****/
int?gpio_to_irq(unsigned?int?gpio)
//gpio：要獲取的GPIO編號(hào)
//返回值：GPIO對(duì)應(yīng)的中斷號(hào)

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