Linux驱动实践：一起来梳理中断的前世今生(附代码)

文章目录

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

static struct work_struct mywork;

static void mywork_handler(struct work_struct *work)
{
    printk("This is myword_handler...\n");
}

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：

int request_irq(unsigned int irq, 
                irq_handler_t handler,
                unsigned long flags, 
                const char *devname, 
                void *dev_id);

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：

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/interrupt.h>

// 中断号
static int irq; 

// 驱动程序名称 
static char * devname;          
            
// 用来接收加载驱动模块时传入的参数
module_param(irq, int, 0644);
module_param(devname, charp, 0644);

// 定义驱动程序的 ID，在中断处理函数中用来判断是否需要处理            
#define MY_DEV_ID           1211

// 驱动程序数据结构
struct myirq
{
    int devid;
};

// 保存驱动程序的所有信息
struct myirq mydev  ={ MY_DEV_ID };

// 键盘相关的 IO 端口
#define KBD_DATA_REG        0x60  
#define KBD_STATUS_REG      0x64
#define KBD_SCANCODE_MASK   0x7f
#define KBD_STATUS_MASK     0x80
        
// 中断处理函数
static irqreturn_t myirq_handler(int irq, void * dev)
{
    struct myirq mydev;
    unsigned char key_code;
    mydev = *(struct myirq*)dev;    
    
    // 检查设备 id，只有当相等的时候才需要处理
    if (MY_DEV_ID == mydev.devid)
    {
        // 读取键盘扫描码
        key_code = inb(KBD_DATA_REG);

        /* 这里如果放开，每次按键都会打印出很多信息
        printk("key_code: %x %s\n",
                key_code & KBD_SCANCODE_MASK,
                key_code & KBD_STATUS_MASK ? "released" : "pressed");
        */
    
        // 判断：是否为 ESC 键
        if (key_code == 0x01)
        {
            printk("EXC key is pressed! \n");
        }
    }   

    return IRQ_HANDLED;
}
 
// 驱动模块初始化函数
static int __init myirq_init(void)
{
    printk("myirq_init is called. \n");

    // 注册中断处理函数
    if(request_irq(irq, myirq_handler, IRQF_SHARED, devname, &mydev)!=0)
    {
        printk("register irq[%d] handler failed. \n", irq);
        return -1;
    }

    printk("register irq[%d] handler success. \n", irq);
    return 0;
}
 
// 驱动模块退出函数
static void __exit myirq_exit(void)
{
    printk("myirq_exit is called. \n");

    // 注销中断处理函数
    free_irq(irq, &mydev);
}
 
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(myirq_init);
module_exit(myirq_exit);

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。

------ End ------

文中的测试代码和相关文档，已经放在网盘了。

强烈建议您看一下网盘里的这篇文档：《Interrupt in Linux.pdf》，一定有很大收获！

谢谢！