Linux驱动实践：一起来梳理【中断】的前世今生(附代码)
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2021-12-17 20:09
作 者：道哥，10+年嵌入式开发老兵，专注于：C/C++、嵌入式、Linux。
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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：
中断号与中断控制器(PIC/APIC)相关;
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
#include
#include
// 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。
文中的测试代码和相关文档，已经放在网盘了。
在公众号【IOT物联网小镇】后台回复关键字：1212，即可获取下载地址。
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！
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