Linux中断-实操、概念

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原创 2024-10-27 18:42:13 1.4k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

Linux 的中断文章目录中断概念和分类Linux 中断处理程序架构Linux 中断编程申请和释放中断使能和屏蔽中断底半部机制1. tasklet2．工作队列3．软中断4. threaded irq 中断概念和分类中断是指 CPU 在执行程序的过程中，出现了某些突发事件急待处理， CPU 必须暂停当前程序的执行，转去处理突发事件，处理完毕后又返回原程序被中断的位置继续执行。根据中断的来源，中断可分为内部中断和外部中断，内部中断的中断源来自 CPU 内部（软件中断指令、溢出、除法错误等，例如，操作系统从用户态切换到内核态阅读详情

1、裸机中的中断处理方法：

（1）使能中断、初始化相应寄存器

（2）注册中断服务函数，向irqTable数组的指定标号处写入中断服务函数

（3）中断发生后进入IRQ中断服务函数，执行对应中断处理函数

2、Linux中断API函数

（1）中断号

每个中断都有一个中断号，通过中断号可区分不同中断。

（2）Linux中断申请

Linux内核中想使用一个中断是需要申请的，request_irq函数用于申请中断，request_irq可能会导致睡眠，不能在中断上下文中申请。

参数

irq：要申请中断的中断号
handler：中断处理函数
flags：中断标志位，定义在include/linux/interrupt.h
name：中断名字，可在/proc/interrupts中看到
dev：若将flags设置为IRQF_SHARED（该中断线被多个设备共享），dev用来区分不同中断，一般情况下，dev设置为设备结构体，dev会传递给handler第二个参数。

Request_irq会激活（使能）中断。

包括上升沿、下降沿等触发方式，可以用|来实现多种组合。

（3）释放中断

free_irq函数。中断完成后要释放掉响应的中断

第一个参数irq：要释放的中断
第二个参数dev：如果中断设置为共享（IRQF_SHARED）的话，此参数用来区分具体的中断。共享中断只有在释放最后中断处理函数时才被禁止。

（4）中断处理函数

第一个参数int：中断处理函数要处理的中断号
第二个参数void*：通用型指针，用于区分共享中断的不同设备，与request_irq函数的dev参数保持一致。

（5）中断使能和禁止函数

关闭指定中断：

irq：要禁止的中断号

关闭整个中断系统：

3、上半部与下半部

Linux中中断分为上半部和下半部

上半部：就是中断处理函数，执行速度快的操作放在上半部

下半部：耗时长的放在下半部，以免阻塞系统运行时间过长。

4、下半部的三种实现机制

（1）软中断

（软中断和硬中断相比，就是触发方式不同，由硬件触发变为软件触发，同样会去打断当前进程的执行）

（Linux内核中，软中断被设计为在所有硬件中断处理完后才执行。）

（Linux中硬中断上下文要关中断，无法被其他硬中断打断（禁止中断嵌套）。软中断不关中断，可以被打断。）

Linux中使用softirq_action表示软中断

/kernel/softirq.c文件中一共定义了10软中断

Softirq_action结构体中的action成员变量就是软中断的服务函数

注册软中断处理函数

使用软中断要先注册对应的软中断处理函数，open_softirq

nr：要开启的软终端

action：软中断对应的处理函数

触发软中断

软中断注册好后要通过raise_softirq函数触发

nr：要触发的软中断

软中断流程：

a、定义软中断处理函数

b、注册软中断处理函数

c、触发软中断

（2）tasklet

tasklet是利用软中断实现的另一种下半部机制。

tasklet结构体：

Linux 内核使用 tasklet_struct 结构体来表示 tasklet

func是tasklet要执行的处理函数，用户定义的函数内容，相当于中断处理函数。使用tasklet前，必须先定义初始化一个tasklet

初始化tasklet

方式一：

t：要初始化的tasklet

func：tasklet的处理函数

data：要传递给func函数的参数

方式二：

也可以使用宏 DECLARE_TASKLET 来一次性完成 tasklet 的定义和初始化，

name：定义的tasklet名字

func：tasklet处理函数

data：传递给func函数的参数

调用tasklet

在中断上半部中调用tasklet_schedule函数就能使得tasklet在合适的时间运行

t：要调度的tasklet

tasklet流程

a、定义tasklet结构体

b、定义tasklet处理函数（一个普通的函数）

c、初始化tasklet

d、注册中断服务函数

e、中断服务函数中调度tasklet

（3）工作队列：

另一种下半部执行方式，在进程上下文执行，工作队列将要推后的工作交给一个内核线程执行，工作在进程上下文中

工作

内核中用work_struct结构体表示一个工作

工作队列

这些工作会组织成一个工作队列，使用workqueue_struct结构体表示

工作线程worker thread

Linux内核中会使用工作者线程处理工作队列中的各个工作，用worker结构体表示工作者线程。

工作、工作队列、工作线程（工作者）关系

每个worker都有一个工作队列，工作者线程处理自己工作队列中的所有工作（每个CPU都有个工作者线程，并行处理多个工作）。

实际开发中，我们只需要定义工作（work_struct）即可，工作队列和工作线程基本不用管。

工作创建

1）定义一个work_strcut结构体变量

2）初始化工作

方式一：

#define INIT_WORK(_work, _func)

INIT_WORK宏初始化工作

_work：要初始化的工作
_func：工作对应的处理函数

方式二：

#define DECLARE_WORK(n, f)

DECLARE_WORK 宏一次性完成工作的创建和初始化

n：要定义的工作
f：工作对应的处理函数

3）调度工作

需要调用工作才能运行

bool schedule_work(struct work_struct *work)

work：要调度的工作
返回值：0 成功，其他值，失败

同样要在中断的上半部，主动开启调度。

（4）threaded irq：（现在的新技术）

单核的时候工作队列只有一个内核线程，还可以，但是如果用到多核，其他核心就浪费了，所以给每个线程都创建一个线程，有专门的线程中断函数，thread_fn中放入线程里要执行的函数。这样子线程平均的分配到多个核心中。

可以只提供 thread_fn，系统会为这个函数创建一个内核线程。发生中断时，内核线程就会执行这个函数。

5、设备树中断信息节点

中断控制器节点

GIC中断控制器节点

#interrupt-cells：该中断控制器下设备的cell大小。第一个cell：中断类型，0表示SPI中断，1表示PPI中断。第二个cell：中断号。SPI中断为0~987，PPI中断号为0~15。第三个cell：标志，bit[3:0]表示中断触发类型，为1时表示上升沿触发，为2时表示下降沿触发等。bit[15:8]为PPI中断的CPU掩码
interrupt-controller：为空，表示当前节点为中断控制器

GPIO节点中断控制器：gpio5

interrupts：描述中断源信息，gpio5一共两条中断源信息，类型都为SPI，触发电平都为IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH，不同之处在中断源，一个是74、一个是75

查表可知GPIO5一共用了两个中断号，一个是74、一个是75，分别对应GPIO5_IO00~GPIO5_IO15和GPIO5_IO16~GPIO5_IO31

interrupt-controller：表明gpio5节点也是个中断控制器，用于控制所有gpio5所有IO的中断
#interrupt-cells：修改为2

Fxls8471是6ULL开发板上的磁力计芯片，有一个中断引脚连接到了SNVS_TAMPER0 引脚上，这个引脚可以复用为 GPIO5_IO00。

interrupt-parent 属性：设置中断控制器，使用gpio5作为中断控制器
interrupt：设置中断信息，0表示GPIO5_IO00，8表示低电平触发

#interrupt-cells，指定中断源信息的cell个数

interrupt-controller，当前节点为中断控制器

interrupt，指定中断号，触发方式

interrupt-parent，指定父中断，中断控制器

6、设备树里中断

imx6ull.dtsi（厂家提供的）、 100ask_imx6ull-14x14.dts

imx6ull.dtsi：中包含了厂家定义好的中断控制器

100ask_imx6ull-14x14.dts ：只需要在外部设备中指定好中断

BSP：工程师定义的两个中断控制器（GIC、GPIO等）

（1）GIC中断控制器（厂家）：

1、compatibel：找到对应的驱动程序
2、interrupt-controller：说明这是一个中断控制器

3、#interrupt-controller：使用该中断控制器的cell(参数个数)数量

（2）GPIO等中断控制器（厂家）：

1、compatibel：找到对应的驱动程序
2、interrupt-controller：说明这是一个中断控制器

3、#interrupt-controller：使用该中断控制器的cell(参数个数)数量

4、使用上一级哪个中断控制器的哪一个中断

Interrupt_parent = <& >

Interrupts = < > < > 描述一个或多个中断（使用到多个中断时）

（3）指定使用哪一个中断控制器里的哪个中断（我们自己定义）

1、指定使用哪一个中断控制器里的哪个中断

Interrupt_parent = <& >

Interrupts = < > < > 描述一个或多个中断（使用到多个中断时）

GIC中通常Cell有三个属性（下一级中断cell的参数）：

1、类（私有中断PPI、还是共享中断SPI）

2、哪个：哪个中断

3、电平触发类型：

要使用 gpio1 里的第 5 号中断， hwirq 就是 5。

7、获取中断号

中断驱动程序编写时要用到中断号，中断信息已写入到设备树中。有两种获取方式。可以用irq_of_parse_and_map函数从interupts属性中提取到对应的设备号

函数参数和返回值含义如下：

dev：设备节点
index：索引号，interrupt属性中，可能包含多条中断信息，通过index指定要获取的信息

返回值：中断号

若该引脚使用到了GPIO，可以用gpio_to_irq函数获取gpio对应的中断号

gpio：要获取的GPIO编号：要获取的GPIO编号

返回值：GPIO对应的中断号

8、按键中断程序过程

a、定义一个软件定时器，完成其初始化，定义其处理函数

b、初始化keyIo，gpio子系统获取设备树信息

c、定义中断服务函数、获取中断号，申请中断

9、运行

cat /proc/interrupts

中断已经成功注册

#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/semaphore.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/of_irq.h>
#include <linux/irq.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>

#define IMX6UIRQ_CNT		1			/* 设备号个数 	*/
#define IMX6UIRQ_NAME		"imx6uirq"	/* 名字 		*/
#define KEY0VALUE			0X01		/* KEY0按键值 	*/
#define INVAKEY				0XFF		/* 无效的按键值 */
#define KEY_NUM				1			/* 按键数量 	*/

/* 中断IO描述结构体 */
struct irq_keydesc {
	int gpio;								/* gpio */
	int irqnum;								/* 中断号     */
	unsigned char value;					/* 按键对应的键值 */
	char name[10];							/* 名字 */
	irqreturn_t (*handler)(int, void *);	/* 中断服务函数 */
};

/* imx6uirq设备结构体 */
struct imx6uirq_dev{
	dev_t devid;			/* 设备号 	 */
	struct cdev cdev;		/* cdev 	*/
	struct class *class;	/* 类 		*/
	struct device *device;	/* 设备 	 */
	int major;				/* 主设备号	  */
	int minor;				/* 次设备号   */
	struct device_node	*nd; /* 设备节点 */
	atomic_t keyvalue;		/* 有效的按键键值 */
	atomic_t releasekey;	/* 标记是否完成一次完成的按键，包括按下和释放 */
	struct timer_list timer;/* 定义一个定时器*/
	struct irq_keydesc irqkeydesc[KEY_NUM];	/* 按键描述数组 */
	unsigned char curkeynum;				/* 当前的按键号 */
};

struct imx6uirq_dev imx6uirq;	/* irq设备 */

/* @description		: 中断服务函数，开启定时器，延时10ms，
 *				  	  定时器用于按键消抖。
 * @param - irq 	: 中断号 
 * @param - dev_id	: 设备结构。
 * @return 			: 中断执行结果
 */
static irqreturn_t key0_handler(int irq, void *dev_id)
{
	struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev *)dev_id;

	dev->curkeynum = 0;
	dev->timer.data = (volatile long)dev_id;
	mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(10));	/* 10ms定时 */
	return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);
}

/* @description	: 定时器服务函数，用于按键消抖，定时器到了以后
 *				  再次读取按键值，如果按键还是处于按下状态就表示按键有效。
 * @param - arg	: 设备结构变量
 * @return 		: 无
 */
void timer_function(unsigned long arg)
{
	unsigned char value;
	unsigned char num;
	struct irq_keydesc *keydesc;
	struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev *)arg;

	num = dev->curkeynum;
	keydesc = &dev->irqkeydesc[num];

	value = gpio_get_value(keydesc->gpio); 	/* 读取IO值 */
	if(value == 0){ 						/* 按下按键 */
		atomic_set(&dev->keyvalue, keydesc->value);
	}
	else{ 									/* 按键松开 */
		atomic_set(&dev->keyvalue, 0x80 | keydesc->value);
		atomic_set(&dev->releasekey, 1);	/* 标记松开按键，即完成一次完整的按键过程 */			
	}	
}

/*
 * @description	: 按键IO初始化
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static int keyio_init(void)
{
	unsigned char i = 0;
	int ret = 0;
	
	imx6uirq.nd = of_find_node_by_path("/key");
	if (imx6uirq.nd== NULL){
		printk("key node not find!\r\n");
		return -EINVAL;
	} 

	/* 提取GPIO */
	for (i = 0; i < KEY_NUM; i++) {
		imx6uirq.irqkeydesc[i].gpio = of_get_named_gpio(imx6uirq.nd ,"key-gpio", i);
		if (imx6uirq.irqkeydesc[i].gpio < 0) {
			printk("can't get key%d\r\n", i);
		}
	}
	
	/* 初始化key所使用的IO，并且设置成中断模式 */
	for (i = 0; i < KEY_NUM; i++) {
		memset(imx6uirq.irqkeydesc[i].name, 0, sizeof(imx6uirq.irqkeydesc[i].name));	/* 缓冲区清零 */
		sprintf(imx6uirq.irqkeydesc[i].name, "KEY%d", i);		/* 组合名字 */
		gpio_request(imx6uirq.irqkeydesc[i].gpio, imx6uirq.irqkeydesc[i].name);
		gpio_direction_input(imx6uirq.irqkeydesc[i].gpio);	
		imx6uirq.irqkeydesc[i].irqnum = irq_of_parse_and_map(imx6uirq.nd, i);
#if 0
		imx6uirq.irqkeydesc[i].irqnum = gpio_to_irq(imx6uirq.irqkeydesc[i].gpio);
#endif
		printk("key%d:gpio=%d, irqnum=%d\r\n",i, imx6uirq.irqkeydesc[i].gpio, 
                                         imx6uirq.irqkeydesc[i].irqnum);
	}
	/* 申请中断 */
	imx6uirq.irqkeydesc[0].handler = key0_handler;
	imx6uirq.irqkeydesc[0].value = KEY0VALUE;
	
	for (i = 0; i < KEY_NUM; i++) {
		ret = request_irq(imx6uirq.irqkeydesc[i].irqnum, imx6uirq.irqkeydesc[i].handler, 
		                 IRQF_TRIGGER_FALLING|IRQF_TRIGGER_RISING, imx6uirq.irqkeydesc[i].name, &imx6uirq);
		if(ret < 0){
			printk("irq %d request failed!\r\n", imx6uirq.irqkeydesc[i].irqnum);
			return -EFAULT;
		}
	}

	/* 创建定时器 */
	init_timer(&imx6uirq.timer);
	imx6uirq.timer.function = timer_function;
	return 0;
}

/*
 * @description		: 打开设备
 * @param - inode 	: 传递给驱动的inode
 * @param - filp 	: 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
 * 					  一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int imx6uirq_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	filp->private_data = &imx6uirq;	/* 设置私有数据 */
	return 0;
}

 /*
  * @description     : 从设备读取数据 
  * @param - filp    : 要打开的设备文件(文件描述符)
  * @param - buf     : 返回给用户空间的数据缓冲区
  * @param - cnt     : 要读取的数据长度
  * @param - offt    : 相对于文件首地址的偏移
  * @return          : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败
  */
static ssize_t imx6uirq_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
	int ret = 0;
	unsigned char keyvalue = 0;
	unsigned char releasekey = 0;
	struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev *)filp->private_data;

	keyvalue = atomic_read(&dev->keyvalue);
	releasekey = atomic_read(&dev->releasekey);

	if (releasekey) { /* 有按键按下 */	
		if (keyvalue & 0x80) {
			keyvalue &= ~0x80;
			ret = copy_to_user(buf, &keyvalue, sizeof(keyvalue));
		} else {
			goto data_error;
		}
		atomic_set(&dev->releasekey, 0);/* 按下标志清零 */
	} else {
		goto data_error;
	}
	return 0;
	
data_error:
	return -EINVAL;
}

/* 设备操作函数 */
static struct file_operations imx6uirq_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = imx6uirq_open,
	.read = imx6uirq_read,
};

/*
 * @description	: 驱动入口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static int __init imx6uirq_init(void)
{
	/* 1、构建设备号 */
	if (imx6uirq.major) {
		imx6uirq.devid = MKDEV(imx6uirq.major, 0);
		register_chrdev_region(imx6uirq.devid, IMX6UIRQ_CNT, IMX6UIRQ_NAME);
	} else {
		alloc_chrdev_region(&imx6uirq.devid, 0, IMX6UIRQ_CNT, IMX6UIRQ_NAME);
		imx6uirq.major = MAJOR(imx6uirq.devid);
		imx6uirq.minor = MINOR(imx6uirq.devid);
	}

	/* 2、注册字符设备 */
	cdev_init(&imx6uirq.cdev, &imx6uirq_fops);
	cdev_add(&imx6uirq.cdev, imx6uirq.devid, IMX6UIRQ_CNT);

	/* 3、创建类 */
	imx6uirq.class = class_create(THIS_MODULE, IMX6UIRQ_NAME);
	if (IS_ERR(imx6uirq.class)) {
		return PTR_ERR(imx6uirq.class);
	}

	/* 4、创建设备 */
	imx6uirq.device = device_create(imx6uirq.class, NULL, imx6uirq.devid, NULL, IMX6UIRQ_NAME);
	if (IS_ERR(imx6uirq.device)) {
		return PTR_ERR(imx6uirq.device);
	}
	
	/* 5、初始化按键 */
	atomic_set(&imx6uirq.keyvalue, INVAKEY);
	atomic_set(&imx6uirq.releasekey, 0);
	keyio_init();
	return 0;
}

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static void __exit imx6uirq_exit(void)
{
	unsigned int i = 0;
	/* 删除定时器 */
	del_timer_sync(&imx6uirq.timer);	/* 删除定时器 */
		
	/* 释放中断 */
	for (i = 0; i < KEY_NUM; i++) {
		free_irq(imx6uirq.irqkeydesc[i].irqnum, &imx6uirq);
		gpio_free(imx6uirq.irqkeydesc[i].gpio);
	}
	cdev_del(&imx6uirq.cdev);
	unregister_chrdev_region(imx6uirq.devid, IMX6UIRQ_CNT);
	device_destroy(imx6uirq.class, imx6uirq.devid);
	class_destroy(imx6uirq.class);
}

module_init(imx6uirq_init);
module_exit(imx6uirq_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");