Linux驱动实践:一起来梳理【中断】的前世今生

道哥分享

    目录
    · Linux 中断的知识点梳理
    中断的分类
    中断号和中断向量
    中断服务程序ISR
    上半部分和下半部分
    · 中断处理的注册和注销 API
    · 实操:捕获键盘中断
    示例代码
    驱动程序传参
    IO编址:IO端口和IO内存
    编译、测试、验证
    别人的经验,我们的阶梯!
    大家好,我是道哥,今天我为大伙儿解说的技术知识点是:【Linux 中断的注册和处理】。
    在前两篇文章中,描述的是在应用层如何调用驱动函数来控制GPIO,以及在驱动中如何发送发送信号给应用层。
    假如存在这样一个需求:应用程序需要监控某个硬件GPIO口的电平状态,当发生变化时,应用程序就做出相应的动作。
    利用之前已经介绍的知识,是可以完成这个需求的。
    比如:在驱动程序中不停的读取GPIO口的状态,一旦发生变化,就把新的电平状态通过信号发送到应用层。
    这样的方式称作:轮询。
    
    轮询方式的缺点显而易见:轮询的时间间隔应该是多少毫秒(or 微秒),才比较合适呢?
    轮询太慢:可能会丢失信号;轮询太快:消耗 CPU 资源!
    因此,在实际的产品中,用中断触发的方式才是更切合实际的选择!
    本文所有的描述和测试,都是在 x86 平台上完成的;
    Linux 中断的知识点梳理
    中断的分类
    Linux 的版本在持续更新,对中断的处理方式也在不停的发生变化。
    下面几张图,是以前在学习时画的思维导图。
    这几张图比较清晰地描述了在Linux操作系统中,关于中断的一些基本概念。
    
    这张图的结构还是比较清晰的,基本上概括了Linux系统中的中断分类。
    另外,在很多关于中断的书籍中,大部分都是从基础的 PIC(可编程中断控制器)开始讲解的。
    如果您想非常具体、专业、深入的了解关于中断的相关内容,有一篇文章《Interrupt in Linux.pdf》讲得非常好(文章的后面部分我也没有看懂)。
    在文末有下载链接,感兴趣的小伙伴可以学习一下。
    中断号和中断向量
    
    这张图只要记住中断号与中断向量的关系就可以了:
    1. 中断号与中断控制器(PIC/APIC)相关;
    2. 中断向量与 CPU 相关,用来查找中断处理函数的入口地址;
    中断服务例程 ISR
    
    中断服务程序,就是针对每一个中断如何进行处理。
    如果您了解Linux中断的相关内容,一定会看到这样的描述:中断处理分为上半部分和下半部分。
    上半部分不能消耗太多的时间,主要处理与硬件相关的重要工作;其他不重要的工作,都放在下半部分去做。
    从上面这张图中可以看出,用来完成下半部分工作有好几种机制可以选择,每一种方式都是针对不同的需求场景。
    在每一种下半部分机制中,Linux都设计了非常方便的接口函数。
    作为开发者的我们来说,使用这些下半部分的机制很简单,只需要几个函数调用即可。
    例如:如果使用工作队列来实现下半部分的工作,只需要2步动作:
    1. 定义处理函数
    
    2. 在中断处理函数中,注册注册函数
    INIT_WORK(&mywork, mywork_handler);                                                        
    schedule_work(&mywork);
    下面几张图,是针对每一种“下半部分”处理机制的一些特点,注意:有些机制在新版本中已经废弃不用了,了解即可。
    
    
    
    
    
    中断处理的注册和注销 API
    所谓的中断注册,就是告诉操作系统:我对哪个中断感兴趣。
    当这些中断发生的时候,请通知我。通知的方式就是:调用一个预先注册好的回调函数。
    驱动程序可以通过函数 request_irq(),向操作系统注册,并且激活指定的中断线:
    
    参数说明:
    irq: 申请的硬件中断号;
    handler: 中断处理函数。一旦中断发生,这个函数就被调用;
    flags: 中断的属性,例如:IRQF_DISABLED,IRQF_TIMER,IRQF_SHARED;
    devname: 中断驱动程序的名称,在 /proc/interrupts 文件中看到对应的内容;
    dev_id: 中断程序的唯一标识,比如:在共享中断中,可以用来区分不同的中断处理程序;
    驱动程序通过函数 free_irq(),向操作系统注销一个中断处理函数:
    void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);
    参数说明:
    irq: 硬件中断号;
    dev_id: 中断程序的唯一标识;
    实操:捕获键盘中断 示例代码
    有了上面的知识铺垫,下面就来实操一下,实现的功能是:
    捕获键盘的中断,在中断处理函数中,打印出按键的扫描码,如果是 ESC 键被按下,就打印出指定的信息。
    与往常一样,操作的目录位于:tmp/linux-4.15/drivers 目录下。
    $ mkdir my_driver_interrupt
    $ touch driver_interrupt.c
    文件内容:
    
    
    
    上面的代码,有两个小的知识点。
    向驱动程序传参
    示例代码中,在调用 request_irq 时,需要指定中断号和驱动程序的名称。
    这两个参数是在加载驱动模块的时候,从命令行传入的。
    在驱动程序中,通过下面两行代码即可实现参数的接收:
    module_param(irq, int, 0644);
    module_param(devname, charp, 0644);
    module_param 是一个宏定义,定义在 include/linux/moduleparam.h 文件中,具体定义如下:
    #define module_param(name, type, perm)                
        module_param_named(name, name, type, perm);
    name: 存储参数的变量名;
    type: 变量的类型;
    perm: 访问参数的权限,表示此参数在sysfs文件系统中所对应的文件节点的属性;
    IO地址:IO端口和IO内存
    这是读取 IO 外设的两种不同方式。
    IO 端口有两种编址方式:统一编址和独立编址。
    统一编制
    把主存单元所在的地址空间,划出一部分出来,专门用来把IO外设寄存器的地址映射到这部分划出来的地址空间中。
    统一编址的好处是:读取IO外设的时候,就好像读取普通的内存地址空间中的数据一样。
    独立编址
    IO 外设的地址空间,与主存单元的地址空间是两个独立的地址空间,此时,IO地址一般称作: IO端口。
    我们在读写IO外设的时候,从这些 “IO端口” 中读写就可以了。不同的外设,被分配了不同的 IO 端口号。
    CPU 提供了一些列函数来读写 IO 端口,例如:
    // 读写一个字节
    unsigned inb(unsigned port);
    void outb(unsigned char byte, unsigned port);
    // 读写一个字
    unsigned inw(unsigned port);
    void outw(unsigned short word, unsigned port);
    编译、验证
    编译驱动模块:
    $ make
    输出文件:driver_interrupt.ko
    因为我们捕获的是键盘中断(中断号:1),先看一下在加载驱动模块之前的中断驱动程序 head /proc/interrupts:
    
    可以把 demsg 的输出也清理一下:dmesg -c
    执行下面指令来加载驱动模块(传递2个参数):
    insmod driver_interrupt.ko irq=1 devname=myirq
    再次执行一下指令 head /proc/interrupts 查看驱动程序:
    
    在中断号 1 的右侧,是不是看到了我们的驱动程序:my_irq?
    再来看一下 dmesg 的输出信息:
    
    成功注册了中断号1的处理函数!
    此时,按几次键盘左上角的 ESC 键,然后再查看 dmesg 的输出信息:
    
    以上,就是最简单的中断注册和相应的中断处理函数!
    在实际的项目中,如果要把中断信息通知到应用层,可以通过上一篇文章介绍的发送信号来实现,或者通过其他的回调机制也可以。
    下一篇文章,我们在这个示例代码上进行扩展,看一下:中断处理中每一个“下半部分”机制应该如何编程。