Linux中断处理体系结构

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ARM架构Linux内核的异常处理体系结构，可以由arch/arm/kernel/entry-armv.S中的异常向量反应出来，

1. .equ stubs_offset, __vectors_start + 0x200 - __stubs_start
2. 
   
3. .globl __vectors_start
4. __vectors_start:
5. ARM( swi SYS_ERROR0 )
6. THUMB( svc #0 )
7. THUMB( nop )
8. W(b) vector_und + stubs_offset
9. W(ldr) pc, .LCvswi + stubs_offset
10. W(b) vector_pabt + stubs_offset
11. W(b) vector_dabt + stubs_offset
12. W(b) vector_addrexcptn + stubs_offset
13. W(b) vector_irq + stubs_offset
14. W(b) vector_fiq + stubs_offset
15. 
    
16. .globl __vectors_end
17. __vectors_end:

对于我来说理解这段代码有难度：
（1）找不到标号vector_xxxx
在网上找了.macro vector_stub, name, mode, correction=0 的相关解释。在arch/arm/kernel/entry-armv.S有宏定义

1. .macro vector_stub, name, mode, correction=0
2. .align 5
3. 
   
4. vector_\name:
5. .if \correction
6. sub lr, lr, #\correction
7. .endif
8. 
   
9. @
10. @ Save r0, lr_<exception> (parent PC) and spsr_<exception>
11. @ (parent CPSR)
12. @
13. stmia sp, {r0, lr} @ save r0, lr
14. mrs lr, spsr
15. str lr, [sp, #8] @ save spsr
16. 
    
17. @
18. @ Prepare for SVC32 mode. IRQs remain disabled.
19. @
20. mrs r0, cpsr
21. eor r0, r0, #(\mode ^ SVC_MODE | PSR_ISETSTATE)
22. msr spsr_cxsf, r0
23. 
    
24. @
25. @ the branch table must immediately follow this code
26. @
27. and lr, lr, #0x0f
28. THUMB( adr r0, 1f )
29. THUMB( ldr lr, [r0, lr, lsl #2] )
30. mov r0, sp
31. ARM( ldr lr, [pc, lr, lsl #2] )
32. movs pc, lr @ branch to handler in SVC mode
33. ENDPROC(vector_\name)
34. 
    
35. .align 2
36. @ handler addresses follow this label
37. 1:
38. .endm

原来vector_xxxx就在arch/arm/kernel/entry-armv.S中。

（2）stubs_offset的理解
vector为异常向量基址，unsigned long vectors = CONFIG_VECTORS_BASE。
在arch/arm/kernel/entry-armv.S中，stubs_offset定义为：
.equ    stubs_offset, __vectors_start + 0x200 - __stubs_start？？？？？？？？
在http://apps.hi.baidu.com/share/detail/46676072中找到如下解释：
“当汇编器看到B指令后会把要跳转的标签转化为相对于当前PC的偏移量（±32M）写入指令码。从上面的代码可以看到中断向量表和stubs都发生了代码搬 移，所以如果中断向量表中仍然写成b vector_irq，那么实际执行的时候就无法跳转到搬移后的vector_irq处，因为指令码里写的是原来的偏移量，所以需要把指令码中的偏移量写 成搬移后的。

我们把搬移前的中断向量表中的irq入口地址记
irq_PC,它在中断向量表的偏移量就是irq_PC-vectors_start,
vector_irq在stubs中的偏移量是vector_irq-stubs_start，这两个偏移量在搬移前后是不变的。

搬移后 vectors_start在0xffff0000处，而stubs_start在0xffff0200处，所以搬移后的vector_irq相对于中断 向量中的中断入口地址的偏移量就是，200+vector_irq。在stubs中的偏移量再减去中断入口在向量表中的偏移量，即
200+ vector_irq-stubs_start-irq_PC+vectors_start
= (vector_irq-irq_PC) + vectors_start+200-stubs_start,
对于括号内的值实际上就是中断向量表中写的vector_irq，减去irq_PC是由汇 编器完成的，而后面的 vectors_start+200-stubs_start就应该是stubs_offset，实际上在entry-armv.S中也是这样定义的。”


汇编伪指令中equ的使用格式是：name   EQU   expr{,type}

memcpy的函数原型为：void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);从下面代码的3个 memcpy()函数可以看出，vectors~vectors + 0x200存储的异常向量， B vector_<exception>，中断向量 ；vectors + 0x200~vectors + 0x1000存储的具体异常的处理分支，而这个分支视乎只是地址， vector_<exception> ，跳转表。
arch/arm/kernel/entry-armv.S中的标号，那程序是怎么实现跳转的呢？？？？？
参考http://blog.youkuaiyun.com/xavierxiao/article/details/6088050

1. void __init early_trap_init(void)
   
2. {
   
3.     unsigned long vectors = CONFIG_VECTORS_BASE;
   
4.     extern char __stubs_start[], __stubs_end[];
   
5.     extern char __vectors_start[], __vectors_end[];
   
6.     extern char __kuser_helper_start[], __kuser_helper_end[];
   
7.     int kuser_sz = __kuser_helper_end - __kuser_helper_start;
   
8. 
   
9.     /*
   
10.      * Copy the vectors, stubs and kuser helpers (in entry-armv.S)
    
11.      * into the vector page, mapped at 0xffff0000, and ensure these
    
12.      * are visible to the instruction stream.
    
13.      */
    
14.     memcpy((void *)vectors, __vectors_start, __vectors_end - __vectors_start);
    
15.     memcpy((void *)vectors + 0x200, __stubs_start, __stubs_end - __stubs_start);
    
16.     memcpy((void *)vectors + 0x1000 - kuser_sz, __kuser_helper_start, kuser_sz);
    
17. 
    
18.     /*
    
19.      * Do processor specific fixups for the kuser helpers
    
20.      */
    
21.     kuser_get_tls_init(vectors);
    
22. 
    
23.     /*
    
24.      * Copy signal return handlers into the vector page, and
    
25.      * set sigreturn to be a pointer to these.
    
26.      */
    
27.     memcpy((void *)KERN_SIGRETURN_CODE, sigreturn_codes,
    
28.      sizeof(sigreturn_codes));
    
29.     memcpy((void *)KERN_RESTART_CODE, syscall_restart_code,
    
30.      sizeof(syscall_restart_code));
    
31. 
    
32.     flush_icache_range(vectors, vectors + PAGE_SIZE);
    
33.     modify_domain(DOMAIN_USER, DOMAIN_CLIENT);
    
34. }

疑问先放一下，以后再理解。刚才讲述了异常总的入口，及其相关的操作，接下来讲述中断，，，
中断的处理流程如下：
1）发生中断时，CPU执行异常向量vector_irq的代码。
2）在vector_irq里面，最终会调用中断处理的总入口函数asm_do_IRQ。
3）asm_do_IRQ根据中断号调用irq_desc数组项中的handle_irq。
4）handle_irq会使用chip成员中的函数来设置硬件，比如清楚中断，禁止中断，重新使能中断等。
5）handle_irq逐个调用用户在action链表中注册的处理函数。

1）irq_desc结构
在include/linux/irq.h中。
注释很清楚，并且可以知道desc就是descriptor的缩写，方便记忆。

1. struct timer_rand_state;
   
2. struct irq_2_iommu;
   
3. /**
   
4.  * struct irq_desc - interrupt descriptor
   
5.  * @irq :        interrupt number for this descriptor
   
6.  * @timer_rand_state:    pointer to timer rand state struct
   
7.  * @kstat_irqs:        irq stats per cpu
   
8.  * @irq_2_iommu:    iommu with this irq
   
9.  * @handle_irq:        highlevel irq-events handler [if NULL, __do_IRQ()]
   
10.  * @chip:        low level interrupt hardware access
    
11.  * @msi_desc:        MSI descriptor
    
12.  * @handler_data:    per-IRQ data for the irq_chip methods
    
13.  * @chip_data:        platform-specific per-chip private data for the chip
    
14.  *            methods, to allow shared chip implementations
    
15.  * @action:        the irq action chain
    
16.  * @status:        status information
    
17.  * @depth:        disable-depth, for nested irq_disable() calls
    
18.  * @wake_depth:        enable depth, for multiple set_irq_wake() callers
    
19.  * @irq_count:        stats field to detect stalled irqs
    
20.  * @last_unhandled:    aging timer for unhandled count
    
21.  * @irqs_unhandled:    stats field for spurious unhandled interrupts
    
22.  * @lock:        locking for SMP
    
23.  * @affinity:        IRQ affinity on SMP
    
24.  * @node:        node index useful for balancing
    
25.  * @pending_mask:    pending rebalanced interrupts
    
26.  * @threads_active:    number of irqaction threads currently running
    
27.  * @wait_for_threads:    wait queue for sync_irq to wait for threaded handlers
    
28.  * @dir:        /proc/irq/ procfs entry
    
29.  * @name:        flow handler name for /proc/interrupts output
    
30.  */
    
31. struct irq_desc {
    
32.     unsigned int        irq;
    
33.     struct timer_rand_state *timer_rand_state;
    
34.     unsigned int *kstat_irqs;
    
35. #ifdef CONFIG_INTR_REMAP
    
36.     struct irq_2_iommu *irq_2_iommu;
    
37. #endif
    
38.     irq_flow_handler_t    handle_irq;
    
39.     struct irq_chip        *chip;
    
40.     struct msi_desc        *msi_desc;
    
41.     void            *handler_data;
    
42.     void            *chip_data;
    
43.     struct irqaction    *action;    /* IRQ action list */
    
44.     unsigned int        status;        /* IRQ status */
    
45. 
    
46.     unsigned int        depth;        /* nested irq disables */
    
47.     unsigned int        wake_depth;    /* nested wake enables */
    
48.     unsigned int        irq_count;    /* For detecting broken IRQs */
    
49.     unsigned long        last_unhandled;    /* Aging timer for unhandled count */
    
50.     unsigned int        irqs_unhandled;
    
51.     raw_spinlock_t        lock;
    
52. #ifdef CONFIG_SMP
    
53.     cpumask_var_t        affinity;
    
54.     const struct cpumask    *affinity_hint;
    
55.     unsigned int        node;
    
56. #ifdef CONFIG_GENERIC_PENDING_IRQ
    
57.     cpumask_var_t        pending_mask;
    
58. #endif
    
59. #endif
    
60.     atomic_t        threads_active;
    
61.     wait_queue_head_t wait_for_threads;
    
62. #ifdef CONFIG_PROC_FS
    
63.     struct proc_dir_entry    *dir;
    
64. #endif
    
65.     const char        *name;
    
66. } ____cacheline_internodealigned_in_smp;

eg.
buttons.c

1. #include <linux/module.h>
   
2. #include <linux/kernel.h>
   
3. #include <linux/fs.h>
   
4. #include <linux/init.h>
   
5. #include <linux/delay.h>
   
6. #include <asm/irq.h>
   
7. #include <linux/interrupt.h>
   
8. #include <asm/uaccess.h>
   
9. #include <asm/arch/regs-gpio.h>
   
10. #include <asm/hardware.h>
    
11. 
    
12. #define DEVICE_NAME "buttons" /* 加载模式后，执行”cat /proc/devices”命令看到的设备名称 */
    
13. #define BUTTON_MAJOR 232 /* 主设备号 */
    
14. 
    
15. struct button_irq_desc {
    
16.     int irq;
    
17.     unsigned long flags;
    
18.     char *name;
    
19. };
    
20. 
    
21. /* 用来指定按键所用的外部中断引脚及中断触发方式, 名字 */
    
22. static struct button_irq_desc button_irqs [] = {
    
23.     {IRQ_EINT19, IRQF_TRIGGER_FALLING, "KEY1"}, /* K1 */
    
24.     {IRQ_EINT11, IRQF_TRIGGER_FALLING, "KEY2"}, /* K2 */
    
25.     {IRQ_EINT2, IRQF_TRIGGER_FALLING, "KEY3"}, /* K3 */
    
26.     {IRQ_EINT0, IRQF_TRIGGER_FALLING, "KEY4"}, /* K4 */
    
27. };
    
28. 
    
29. /* 按键被按下的次数(准确地说，是发生中断的次数) */
    
30. static volatile int press_cnt [] = {0, 0, 0, 0};
    
31. 
    
32. /* 等待队列:
    
33.  * 当没有按键被按下时，如果有进程调用s3c24xx_buttons_read函数，
    
34.  * 它将休眠
    
35.  */
    
36. static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(button_waitq);
    
37. 
    
38. /* 中断事件标志, 中断服务程序将它置1，s3c24xx_buttons_read将它清0 */
    
39. static volatile int ev_press = 0;
    
40. 
    
41. 
    
42. static irqreturn_t buttons_interrupt(int irq, void *dev_id)
    
43. {
    
44.     volatile int *press_cnt = (volatile int *)dev_id;
    
45.     
    
46.     *press_cnt = *press_cnt + 1; /* 按键计数加1 */
    
47.     ev_press = 1; /* 表示中断发生了 */
    
48.     wake_up_interruptible(&button_waitq); /* 唤醒休眠的进程 */
    
49.     
    
50.     return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);
    
51. }
    
52. 
    
53. 
    
54. /* 应用程序对设备文件/dev/buttons执行open(...)时，
    
55.  * 就会调用s3c24xx_buttons_open函数
    
56.  */
    
57. static int s3c24xx_buttons_open(struct inode *inode, struct file *file)
    
58. {
    
59.     int i;
    
60.     int err;
    
61.     
    
62.     for (i = 0; i < sizeof(button_irqs)/sizeof(button_irqs[0]); i++) {
    
63.         // 注册中断处理函数
    
64.         err = request_irq(button_irqs[i].irq, buttons_interrupt, button_irqs[i].flags,
    
65.                           button_irqs[i].name, (void *)&press_cnt[i]);
    
66.         if (err)
    
67.             break;
    
68.     }
    
69. 
    
70.     if (err) {
    
71.         // 释放已经注册的中断
    
72.         i--;
    
73.         for (; i >= 0; i--)
    
74.             free_irq(button_irqs[i].irq, (void *)&press_cnt[i]);
    
75.         return -EBUSY;
    
76.     }
    
77.     
    
78.     return 0;
    
79. }
    
80. 
    
81. 
    
82. /* 应用程序对设备文件/dev/buttons执行close(...)时，
    
83.  * 就会调用s3c24xx_buttons_close函数
    
84.  */
    
85. static int s3c24xx_buttons_close(struct inode *inode, struct file *file)
    
86. {
    
87.     int i;
    
88.     
    
89.     for (i = 0; i < sizeof(button_irqs)/sizeof(button_irqs[0]); i++) {
    
90.         // 释放已经注册的中断
    
91.         free_irq(button_irqs[i].irq, (void *)&press_cnt[i]);
    
92.     }
    
93. 
    
94.     return 0;
    
95. }
    
96. 
    
97. 
    
98. /* 应用程序对设备文件/dev/buttons执行read(...)时，
    
99.  * 就会调用s3c24xx_buttons_read函数
    
100.  */
     
101. static int s3c24xx_buttons_read(struct file *filp, char __user *buff,
     
102.                                          size_t count, loff_t *offp)
     
103. {
     
104.     unsigned long err;
     
105.     
     
106.     /* 如果ev_press等于0，休眠 */
     
107.     wait_event_interruptible(button_waitq, ev_press);
     
108. 
     
109.     /* 执行到这里时，ev_press等于1，将它清0 */
     
110.     ev_press = 0;
     
111. 
     
112.     /* 将按键状态复制给用户，并清0 */
     
113.     err = copy_to_user(buff, (const void *)press_cnt, min(sizeof(press_cnt), count));
     
114.     memset((void *)press_cnt, 0, sizeof(press_cnt));
     
115. 
     
116.     return err ? -EFAULT : 0;
     
117. }
     
118. 
     
119. /* 这个结构是字符设备驱动程序的核心
     
120.  * 当应用程序操作设备文件时所调用的open、read、write等函数，
     
121.  * 最终会调用这个结构中的对应函数
     
122.  */
     
123. static struct file_operations s3c24xx_buttons_fops = {
     
124.     .owner = THIS_MODULE, /* 这是一个宏，指向编译模块时自动创建的__this_module变量 */
     
125.     .open = s3c24xx_buttons_open,
     
126.     .release = s3c24xx_buttons_close,
     
127.     .read = s3c24xx_buttons_read,
     
128. };
     
129. 
     
130. /*
     
131.  * 执行“insmod s3c24xx_buttons.ko”命令时就会调用这个函数
     
132.  */
     
133. static int __init s3c24xx_buttons_init(void)
     
134. {
     
135.     int ret;
     
136. 
     
137.     /* 注册字符设备驱动程序
     
138.      * 参数为主设备号、设备名字、file_operations结构；
     
139.      * 这样，主设备号就和具体的file_operations结构联系起来了，
     
140.      * 操作主设备为BUTTON_MAJOR的设备文件时，就会调用s3c24xx_buttons_fops中的相关成员函数
     
141.      * BUTTON_MAJOR可以设为0，表示由内核自动分配主设备号
     
142.      */
     
143.     ret = register_chrdev(BUTTON_MAJOR, DEVICE_NAME, &s3c24xx_buttons_fops);
     
144.     if (ret < 0) {
     
145.       printk(DEVICE_NAME " can't register major number\n");
     
146.       return ret;
     
147.     }
     
148.     
     
149.     printk(DEVICE_NAME " initialized\n");
     
150.     return 0;
     
151. }
     
152. 
     
153. /*
     
154.  * 执行”rmmod s3c24xx_buttons.ko”命令时就会调用这个函数
     
155.  */
     
156. static void __exit s3c24xx_buttons_exit(void)
     
157. {
     
158.     /* 卸载驱动程序 */
     
159.     unregister_chrdev(BUTTON_MAJOR, DEVICE_NAME);
     
160. }
     
161. 
     
162. /* 这两行指定驱动程序的初始化函数和卸载函数 */
     
163. module_init(s3c24xx_buttons_init);
     
164. module_exit(s3c24xx_buttons_exit);
     
165. 
     
166. /* 描述驱动程序的一些信息，不是必须的 */
     
167. MODULE_AUTHOR("http://www.100ask.net"); // 驱动程序的作者
     
168. MODULE_DESCRIPTION("S3C2410/S3C2440 BUTTON Driver"); // 一些描述信息
     
169. MODULE_LICENSE("GPL"); // 遵循的协议

buttons_test.c

1. #include <stdio.h>
   
2. #include <stdlib.h>
   
3. #include <unistd.h>
   
4. #include <sys/ioctl.h>
   
5. 
   
6. int main(int argc, char **argv)
   
7. {
   
8.     int i;
   
9.     int ret;
   
10.     int fd;
    
11.     int press_cnt[4];
    
12.     
    
13.     fd = open("/dev/buttons", 0); // 打开设备
    
14.     if (fd < 0) {
    
15.         printf("Can't open /dev/buttons\n");
    
16.         return -1;
    
17.     }
    
18. 
    
19.     // 这是个无限循环，进程有可能在read函数中休眠，当有按键被按下时，它才返回
    
20.     while (1) {
    
21.         // 读出按键被按下的次数
    
22.         ret = read(fd, press_cnt, sizeof(press_cnt));
    
23.         if (ret < 0) {
    
24.             printf("read err!\n");
    
25.             continue;
    
26.         }
    
27. 
    
28.         for (i = 0; i < sizeof(press_cnt)/sizeof(press_cnt[0]); i++) {
    
29.             // 如果被按下的次数不为0，打印出来
    
30.             if (press_cnt[i])
    
31.                 printf("K%d has been pressed %d times!\n", i+1, press_cnt[i]);
    
32.         }
    
33.     }
    
34.     
    
35.     close(fd);
    
36.     return 0;
    
37. }

对比前面没有中断的LEDS驱动程序，可以更好的掌握~


参考博客：
http://www.cnblogs.com/hoys/archive/2011/04/13/2015318.html
http://www.linuxidc.com/Linux/2009-06/20669p2.htm

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