ioremap，中断，上半部&下半部(tasklet, workqueue, jiffies)

在 Linux 内核编程中，I/O 操作通常需要直接访问硬件设备的寄存器。由于这些寄存器通常位于物理内存的特定位置，因此需要一种机制将物理地址映射到内核虚拟地址空间，以便内核代码可以安全地访问它们。ioremap 函数就是实现这一功能的关键工具之一。

1.ioremap

1.ioremap 函数

ioremap 函数的主要作用是将一段物理地址空间映射到内核虚拟地址空间，从而允许内核代码通过虚拟地址来访问硬件设备的寄存器或其他 I/O 设备。

函数原型:

static inline void __iomem *ioremap(phys_addr_t offset, unsigned long size)

参数:

offset: 需要映射的物理地址。

size: 需要映射的字节数。

返回值:

虚拟地址，通过该地址可以访问指定的物理地址空间。

使用场景:

当驱动程序需要访问硬件设备的寄存器时，通常会使用 ioremap 将寄存器所在的物理地址映射到内核虚拟地址空间，然后通过虚拟地址进行读写操作。

示例代码:

#include <linux/io.h>

phys_addr_t phys_addr = 0x12345678; // 假设的物理地址unsigned long size = 0x1000;         // 映射大小为4KB

void __iomem *virt_addr;

virt_addr = ioremap(phys_addr, size);

if (!virt_addr)

{

    printk(KERN_ERR "ioremap failed\n");

return -ENOMEM;

}

// 现在可以通过 virt_addr 访问物理地址 0x12345678 对应的内存

2.iounmap 函数

与 ioremap 相对应，iounmap 用于取消虚拟地址到物理地址的映射。

函数原型:

void iounmap(volatile void __iomem *addr)

参数:

addr: 通过 ioremap 返回的虚拟地址。

使用场景:

当不再需要访问硬件设备的寄存器时，应使用 iounmap 取消映射，释放资源。

示例代码:iounmap(virt_addr);

3.I/O 访问函数

在映射了虚拟地址之后，内核提供了多种函数来读写不同宽度的数据。

writel 函数

函数原型:

static inline void writel(unsigned int b, volatile void __iomem *addr)

参数:

b: 要写入的值。

addr: 通过 ioremap 获得的虚拟地址。

功能:

将一个 32 位的值写入到指定的内存地址。

示例代码:

unsigned int value = 0x12345678;writel(value, virt_addr + 0x10); // 写入 virt_addr + 0x10 处

readl 函数

函数原型:

static inline unsigned int readl(const volatile void __iomem *addr)

参数:

addr: 通过 ioremap 获得的虚拟地址。

返回值:

从指定内存地址读取的 32 位值。

示例代码:

unsigned int value;

value = readl(virt_addr + 0x20); // 读取 virt_addr + 0x20 处的值

4.其他宽度的读写函数

除了 writel 和 readl，内核还提供了处理不同数据宽度的函数，例如：

writeb, readb: 8 位

writew, readw: 16 位

writeq, readq: 64 位

这些函数的使用方式与 writel 和 readl 类似，根据需要选择合适的数据宽度。

5.注意事项

内存屏障: 在某些体系结构上，直接的内存访问可能需要内存屏障来确保读写操作的顺序和可见性。

缓存一致性: 对于一些硬件设备，可能需要禁用缓存或使用特定的内存类型，以确保数据的一致性。

错误处理: ioremap 可能会失败，因此需要检查其返回值，确保映射成功后再进行读写操作。

2.中断

1.struct irq_desc 结构体

struct irq_desc 结构体定义在 irqdesc.h 中，用于描述一个中断描述符。主要成员包括：

struct irqaction *action;：这是一个链表头，用于保存中断处理程序的链表。每个中断可以有多个处理程序，这些处理程序通过 irqaction 结构体链接在一起。

2.struct irqaction 结构体

struct irqaction 结构体定义了一个中断处理程序的详细信息，主要成员包括：

irq_handler_t handler;：指向中断处理程序的指针。

void *dev_id;：一个指向设备特定数据的指针，通常用于区分多个设备共享同一个中断的情况。

struct irqaction *next;：指向下一个 irqaction 结构体，形成一个链表。

irq_handler_t thread_fn;：如果中断处理程序需要在单独的线程中执行，则这个成员指向线程函数。

struct task_struct *thread;：指向与中断相关的内核线程。

unsigned int irq;：中断号。

unsigned int flags;：中断标志，例如是否共享中断、触发方式等。

const char *name;：中断的名称，通常用于调试和显示。

struct proc_dir_entry *dir;：指向 /proc 文件系统中的条目，用于显示中断信息。

3.申请中断

request_irq 函数用于申请一个中断，并注册中断处理程序。函数的定义如下：

static inline int __must_checkrequest_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags,const char *name, void *dev)

{

return request_threaded_irq(irq, handler, NULL, flags, name, dev);

}

irq：从资源获取的中断号。

handler：指定的中断处理程序。

flags：中断标志，例如中断的触发方式（边缘触发或电平触发）、是否共享中断等。

name：中断的名称，通常用于调试和显示。

dev：指向设备特定数据的指针，通常为 NULL。

返回值：成功时返回非负值，失败时返回负数错误码。

3. Tasklet

Tasklet 是一种轻量级的下半部机制，用于延迟执行中断处理程序的部分工作。

1.声明一个 Tasklet

DECLARE_TASKLET(my_tasklet, my_tasklet_func, 0);

my_tasklet：Tasklet 的名称。

my_tasklet_func：Tasklet 的处理函数，类型为 void (*func)(unsigned long)。

2.调度 Tasklet

tasklet_schedule(&my_tasklet);

tasklet_schedule：调度 Tasklet 在稍后执行。

4. 工作队列

工作队列是另一种下半部机制，适用于需要在独立线程中执行的任务。

1.定义一个工作队列

struct work_struct my_wq;

2.初始化工作队列

INIT_WORK(&my_wq, my_wq_func);

my_wq_func：工作队列的处理函数，类型为 void (*work_func_t)(struct work_struct *work)。

3.调度工作队列

schedule_work(&my_wq);

schedule_work：调度工作队列中的任务在稍后执行。

5. Jiffies

Jiffies 是 Linux 内核中的一个全局变量，表示系统启动以来的滴答数。（通常用于定时器）

1.定义一个定时器

struct timer_list my_timer;

2.初始化定时器

timer_setup() 是一个存在于 Linux 内核中的函数，通常用于设置内核定时器。它的定义和使用方式与用户空间中的定时器设置函数有所不同。

内核函数 timer_setup()

timer_setup() 是 Linux 内核中用于初始化定时器的函数。它的原型如下：

void timer_setup(struct timer_list *timer, void (*callback)(struct timer_list *), unsigned int flags);

参数说明：

timer:指向 struct timer_list 结构的指针，表示要设置的定时器。

struct timer_list 是内核中用于管理定时器的结构体。

callback:定时器到期时要执行的回调函数。

回调函数的原型必须是 void callback(struct timer_list *timer)。

flags:定时器的标志位，通常设置为 0。

init_timer(&my_timer);

3.设置超时函数和时间

my_timer.function = my_function;

my_timer.expires = jiffies + HZ;

my_function：定时器超时时要执行的函数，类型为 void (*function)(unsigned long)。

expires：定时器超时的时间点，通常设置为当前 jiffies 加上一个滴答数（HZ 表示每秒的滴答数）。

4.添加定时器

add_timer(&my_timer);

add_timer：将定时器添加到内核定时器链表中，定时器将在指定的时间点超时。

总结

中断：通过 request_irq 申请中断，并在 struct irqaction 中注册中断处理程序。

Tasklet：用于延迟执行中断处理程序的部分工作，调度后在稍后执行--不可sleep。

工作队列：适用于需要在独立线程中执行的任务，调度后在稍后执行--可sleep。

定时器：通过 jiffies 设置超时时间，定时器超时后执行指定的函数--。

这些机制在内核中广泛用于处理中断和延迟执行的任务。