Linux驱动---Linux 中断系统及其上与下半部的介绍与阻塞IO实现按键检测-北京尧图网络

目录一. Linux 的中断系统1.1 中断概念1.2 回顾裸机中中断处理方法1.3 Linux 中断相关API函数1.3.1 request_irq 函数1.3.2 free_irq 函数1.3.3 中断处理函数1.3.4 中断使能与禁止函数二. 中断的上半部与下半部2.1 简介2.2 下半部的实现方式2.2.1 软中断2.2.2 tasklet1、定义初始化宏2、调用2.2.3 工作队列 Workqueue1、初始化宏2、调度函数三. 设备树中的中断信息3.1 .dtsi 文件3.2 设备树中断函数3.2.1 获取中断号四. 按键中断示例代码4.1 修改设备树4.2 驱动代码4.3 应用层代码4.4 结果五. 阻塞IO 与非阻塞 IO5.1 区别5.2 等待队列5.3 相关函数5.3.1 init_waitqueue_head5.3.2 等待唤醒5.3.3 等待事件5.4 修改示例代码一. Linux 的中断系统1.1 中断概念中断是指CPU在处理事件的过程中遇到了突发事情需要去处理CPU暂停当前程序转去处理突发事件处理完之后又返回原程序被打断的地方继续执行这个过程就叫做中断。中断分为了内部中断和外部中断内部中断来源于CPU内部外部中断来源于CPU外部1.2 回顾裸机中中断处理方法1、使能中断初始化相应的中断2、注册中断处理函数也就是向中断向量表的指定下标处写入中断处理函数3、中断发生后执行相应的中断处理函数1.3 Linux 中断相关API函数1.3.1 request_irq 函数在 Linux 内核中要想使用某个中断是需要申请的request_irq 函数用于申请中断request_ irq 函数可能会导致睡眠因此不能在中断上下文或者其他禁止睡眠的代码段中使用request_irq 函数。request_irq 函数会激活(使能)中断所以不需要手动去使能中断作用注册中断处理函数绑定中断号与处理函数参数irq要申请中断的中断号。handler中断处理函数当中断发生以后就会执行此中断处理函数类型如下typedef irqreturn_t (*irq_handler_t)(int, void *);flags中断标志可以在文件include/linux/interrupt.h里面查看所有的中断标志这里我们介绍几个常用的中断标志如图所示name中断名字设置以后可以在/proc/interrupts文件中看到对应的中断名字proc下都是与进程相关的dev如果将 flags 设置为 IRQF_SHARED 的话dev 用来区分不同的中断一般情况下将 dev 设置为设备结构体dev 会传递给中断处理函数 irq_handler_t 的第二个参数也可设置为 NULL返回值0 表示中断申请成功其他负值中断申请失败如果返回-EBUSY的话表示中断已经被申请了1.3.2 free_irq 函数使用中断的时候需要通过 request_irq 函数申请使用完成以后就要通过 free_irq 函数释放掉相应的中断。如果中断不是共享的那么 free_irq 会删除中断处理函数并且禁止中断作用释放已经注册的中断资源参数irq要释放的中断。dev一般为 NULL返回值无1.3.3 中断处理函数使用 request_irq 函数申请中断的时候需要设置中断处理函数中断处理函数格式如下irqreturn_t (*irq_handler_t) (int, void *)参数第一个参数是要中断处理函数要相应的中断号。第二个参数是一个指向 void 的指针也就是个通用指针需要与 request_irq 函数的 dev 参数保持一致。用于区分共享中断的不同设备 dev也可以指向设备数据结构。返回值中断处理函数的返回值为 irqreturn_t 类型irqreturn_t 类型定义如下所示enum irqreturn { IRQ_NONE (0 0), IRQ_HANDLED (1 0), IRQ_WAKE_THREAD (1 1), }; typedef enum irqreturn irqreturn_t;代表的意义IRQ_NONE:中断触发了但是不是由本函数处理因为中断可以共IRQ_NANDLED与上面相反处理中断IRQ_WAKE_THREAD处理中断放在另一线程中且唤醒线程在中断函数中唤醒等待的队列并且是条件变量置一1.3.4 中断使能与禁止函数作用enable_irq 和 disable_irq 用于使能和禁止指定的中断参数irq就是要禁止的中断号。disable_irq返回值无注意disable_irq 函数要等到当前正在执行的中断处理函数执行完才返回作用禁止中断但是与 disable_irq 不同的是不会等待中断处理程序结束后返回会立即返回作用local_irq_enable 用于使能当前处理器中断系统local_irq_disable 用于禁止当前处理器中断系统。上面两个函数不足之处假如 A 任务调用local_irq_disable关闭全局中断 10S当关闭了 2S 的时候 B 任务开始运行B 任务也调用local_irq_disable关闭全局中断 3S3 秒以后 B 任务调用local_irq_enable函数将全局中断打开了。此时才过去 235 秒的时间然后全局中断就被打开了但是 A 任务要关闭 10S 全局中断可能系统会崩溃。作用local_irq_save函数用于禁止中断并且将中断状态保存在 flags 中。local_irq_restore用于恢复中断将中断到 flags 状态二. 中断的上半部与下半部2.1 简介在使用request_irq申请中断的时候注册的中断服务函数属于中断处理的上半部只要中断触发那么中断处理函数就会执行。中断处理函数一定要快点执行完毕越短越好但是现实中有些中断处理过程就是比较费时间必须要对其进行处理缩小中断处理函数的执行时间这个时候中断处理过程就分为了两部分上半部上半部就是中断处理函数那些处理过程比较快不会占用很长时间的处理就可以放在上半部完成比如置一个标志位置一个硬件寄存器的标志位等等通常设置为不可被新中断打断上半部使用的场景要处理的任务不希望被其他中断打断要处理的任务对时间敏感处理与硬件相关的事物下半部如果中断处理过程比较耗时那么就将这些比较耗时的代码提出来交给下半部去执行这样中断处理函数就会快进快出下半部使用的场景处理并不是紧急的耗时任务可以被打断2.2 下半部的实现方式2.2.1 软中断软中断系统资源有限常用于系统级的任务系统中使用软中断的 enum { HI_SOFTIRQ0, TIMER_SOFTIRQ, /普通定时器 NET_TX_SOFTIRQ, /网络发送软中断 NET_RX_SOFTIRQ, /网络接收软中断 BLOCK_SOFTIRQ, /块设备 BLOCK_IOPOLL_SOFTIRQ, TASKLET_SOFTIRQ, /tasklet SCHED_SOFTIRQ, /调度器 HRTIMER_SOFTIRQ, /高精度定时器 RCU_SOFTIRQ, /* Preferable RCU should always be the last softirq */ NR_SOFTIRQS };2.2.2 tasklettasklet 是利用软中断来实现的另外一种下半部机制软中断调度tasklet执行时机是通常是上半部返回的时候软中断和tasklet运行于中断上下文不允许休眠非则系统会崩溃相关的函数或者宏1、定义初始化宏参数name为要定义的 tasklet 名字这个名字就是一个tasklet_struct 类型的时候变量struct work_struct { atomic_long_t data; struct list_head entry; work_func_t func; //处理函数 #ifdef CONFIG_LOCKDEP struct lockdep_map lockdep_map; #endif }; typedef void (*work_func_t)(struct work_struct *work);func就是 tasklet 的处理函数类型如下:void (*func)(unsigned long);data是传递给 func 函数的参数2、调用作用在上半部也就是中断处理函数中调用 tasklet_schedule 函数就能使 tasklet 在合适的时间运行参数t要调度的 tasklet也就是 DECLARE_TASKLET 宏里面的 name2.2.3 工作队列 Workqueue工作队列运行于进程上下文允许休眠工作队列是另外一种下半部执行方式工作队列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去执行因为工作队列工作在进程上下文因此工作队列允许睡眠Linux 内核使用work_struct 结构体表示一个工作相关的宏或者函数1、初始化宏参数_work表示要初始化的工作(struct work_struct *类型)struct tasklet_struct { struct tasklet_struct *next; unsigned long state; atomic_t count; void (*func)(unsigned long); //对应的处理函数 unsigned long data; };_func 是工作对应的处理函数类型如下void workque_handler(struct work_struct *work); //工作队列处理函数2、调度函数参数work要调度的工作。返回值0成功其他值失败。三. 设备树中的中断信息如果使用设备树的话就需要在设备树中设置好中断属性信息Linux 内核通过读取设备树中的中断属性信息来配置中断3.1 .dtsi 文件打开 imx6ull.dtsi 文件其中的 intc 节点就是 I.MX6ULL 的中断控制器节点节点内容如下所示intc: interrupt-controller00a01000 { compatible arm,cortex-a7-gic; #interrupt-cells 3; interrupt-controller; reg 0x00a01000 0x1000, 0x00a02000 0x100; };1、compatible 属性值为“arm,cortex-a7-gic”在 Linux 内核源码中搜索“arm,cortex-a7 -gic”即可找到 GIC 中断控制器驱动文件2、#interrupt-cells和#address-cells、#size-cells 一样。表示此中断控制器下设备的 cells 大小对于设备而言会使用 interrupts 属性描述中断信息#interrupt-cells 描述了 interrupts 属性的 cells 大小也就是一条信息有几个 cells。每个 cells 都是 32 位整形值对于 ARM 处理的 GIC 来说一共有 3 个 cells这三个 cells 的含义如下第一个 cells中断类型0 表示 SPI 中断1 表示 PPI 中断。第二个 cells中断号对于 SPI 中断来说中断号的范围为 0~987对于 PPI 中断来说中断号的范围为 0~15。第三个 cells中断触发类型为 1 的时候表示上升沿触发为 2 的时候表示下降沿触发为 4 的时候表示高电平触发为 8 的时候表示低电平触发。3、interrupt-controller 节点为空表示当前节点是中断控制器对于 gpio 来说gpio 节点也可以作为中断控制器比如 imx6ull.dtsi 文件中的 gpio5 节点内容如下所示gpio5: gpio020ac000 { compatible fsl,imx6ul-gpio, fsl,imx35-gpio; reg 0x020ac000 0x4000; interrupts GIC_SPI 74 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH, GIC_SPI 75 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH; gpio-controller; #gpio-cells 2; interrupt-controller; #interrupt-cells 2; };1、interrupts 描述中断源信息对于 gpio5 来说一共有两条信息中断类型都是SPI 触发电平都是 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH。不同之处在于中断源一个是 74一个是 752、interrupt-controller表明了 gpio5 节点也是个中断控制器用于控制 gpio5 所有 IO 的中断3、将#interrupt-cells 修改为 23.2 设备树中断函数3.2.1 获取中断号参数dev设备节点。index索引号interrupts 属性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。如果使用 GPIO 的话可以使用 gpio_to_irq 函数来获取 gpio 对应的中断号如下参数gpio要获取的 GPIO 编号。返回值GPIO 对应的中断号四. 按键中断示例代码4.1 修改设备树putekey { #address-cells 1; #size-cells 1; compatible pt,pute-key; status okay; pinctrl-names default; pinctrl-0 pinctrl_ptkey; gpio-key gpio1 18 GPIO_ACTIVE_LOW; interrupt-parent gpio1; interrupts 18 IRQ_TYPE_EDGE_FALLING; };4.2 驱动代码中断处理函数//中断处理函数 static irqreturn_t key_irq_handler(int irq_num, void * arg) { if(led_stauts 0) { led_stauts 1; } else { led_stauts 0; } gpio_set_value(led_gpio, led_stauts); return IRQ_HANDLED; }//杂项设备结构体 static struct miscdevice misc_dev { .minor MISC_DYNAMIC_MINOR, //这个宏为255但是次设备号不一定是255;自动获取次设备号 .name DEV_NAME, //设备节点名和 /sys/class/misc/xxx 两者名称相同 .fops fops //杂项设备文件操作函数集合 }; static int __init mydrv_init(void) { int ret 0; /注册杂项设备 ret misc_register(misc_dev); if(ret) { pr_err(misc_register error, errno:%d\n, ret); return ret; } pnode_key of_find_node_by_path(/putekey); if(!pnode_key) { pr_err(of_find_node_by_path error\n); ret -ENODEV; goto del_misc; } //参数三是0在设备树中代表数组0就代表下标是0对应的GPIO //返回值成功正数失败负数错误号 key_gpio of_get_named_gpio(pnode_key, gpio-key, 0); if(key_gpio 0) { ret key_gpio; pr_err(of_get_named_gpio error, errno:%d\n, ret); goto del_misc; } //参数二标签随便赋值 ret gpio_request(key_gpio, gpio_for_key); if(ret) { pr_err(gpio_request error, errno:%d\n, ret); goto del_misc; } ret gpio_direction_input(key_gpio); if(ret) { pr_err(gpio_direction_input error, errno:%d\n, ret); goto del_gpio; } /获取中断号 /key_irq_num of_irq_get(pnode_key, 0); key_irq_num gpio_to_irq(key_gpio); if(key_irq_num 0) { ret key_irq_num; pr_err(of_irq_get error, errno:%d\n, ret); goto del_gpio; } pr_info(key_irq_num is %d\n, key_irq_num); //申请中断 ret request_irq(key_irq_num, key_irq_handler, IRQF_TRIGGER_FALLING, key_interrupt, NULL); if(ret 0) { pr_err(request_irq error, errno:%d\n, ret); goto del_gpio; } //要实现按键控制 LED 就得初始化LED以下是LED部分 pnode_led of_find_node_by_path(/puteled); if(!pnode_led) { ret -ENODEV; pr_err(of_find_node_by_path error, errno:%d\n, ret); goto del_gpio; } led_gpio of_get_named_gpio(pnode_led, gpio-led, 0); if(led_gpio 0) { ret led_gpio; pr_err(of_get_named_gpio error, errno:%d\n, ret); goto del_gpio; } ret gpio_request(led_gpio, led-gpio); if(ret) { pr_err(gpio_request error, errno:%d\n, ret); goto del_gpio; } ret gpio_direction_output(led_gpio, 1); if(ret) { pr_err(gpio_direction_output error, errno:%d\n, ret); goto del_led_gpio; } pr_info(key_irq drv init finish!\n); return 0; del_led_gpio: gpio_free(led_gpio); del_gpio: gpio_free(key_gpio); del_misc: misc_deregister(misc_dev); return ret; } static void __exit mydrv_exit(void) { gpio_free(led_gpio); free_irq(key_irq_num, NULL); gpio_free(key_gpio); //卸载杂项设备 misc_deregister(misc_dev); pr_info(hello, bbb\n); return; } module_init(mydrv_init); module_exit(mydrv_exit); MODULE_LICENSE(GPL); MODULE_DESCRIPTION(this drv is key test\n); MODULE_AUTHOR(dl);4.3 应用层代码int main(int argc, char **argv) { int fd 0; fd open(/dev/mykey0, O_RDWR); if (fd 0) { perror(open); return -1; } char buffer[10] {0}; int sw 0; int key_status 0; while (1) { read(fd, key_status, sizeof(key_status)); if(key_status 1) { sw 1; printf(key status is on\n); } else if(key_status 0) { sw 0; printf(key status is off\n); } } close(fd); return 0; }4.4 结果可以看到应用层一直在轮询按键的状态这样一直占用 CPU 资源很不好故可将其修改为阻塞 IO五. 阻塞IO 与非阻塞 IO5.1 区别阻塞IO:非阻塞IO5.2 等待队列阻塞访问最大的好处就是当设备文件不可操作的时候进程可以进入休眠态这样可以将 CPU 资源让出来。但是当设备文件可以操作的时候就必须唤醒进程一般在中断函数里面完成唤醒工作。Linux 内核提供了等待队列(wait queue)来实现阻塞进程的唤醒工作如果要在驱动中使用等待队列必须创建并初始化一个等待队列头等待队列头使用结构体wait_queue _head_t表示5.3 相关函数5.3.1 init_waitqueue_head作用初始化等待队列头参数参数 q 就是要初始化的等待队列头返回值无5.3.2 等待唤醒当设备可以使用的时候就要唤醒进入休眠态的进程参数 q 就是要唤醒的等待队列头这两个函数会将这个等待队列头中的所有进程都唤醒。 wake_up 函数可以唤醒处于 TASK_INTERRUPTIBLE 和 TASK_UNINTERRUPTIBLE 状态的进程而 wake_up_interruptible 函数只能唤醒处于 TASK_INTERRUPTIBLE 状态的进程5.3.3 等待事件5.4 修改示例代码读函数ssize_t myread(struct file *f, char __user *userdata, size_t size, loff_t *off) { unsigned long ret 0; wait_condition 0; wait_event_interruptible(wq, wait_condition); ret gpio_get_value(key_gpio); if( ret 0 ) { key_status KEY_ON; } else { key_status KEY_OFF; } ret copy_to_user(userdata, key_status, sizeof(key_status)); if(ret) { pr_err(copy_to_user error\n); return ret; } pr_info(read caller\n); return sizeof(key_status); }中断处理函数//中断处理函数 static irqreturn_t key_irq_handler(int irq_num, void * arg) { wait_condition 1; //不是自动唤醒必须加上 wake up wake_up(wq); if(led_stauts 0) { led_stauts 1; } else { led_stauts 0; } gpio_set_value(led_gpio, led_stauts); return IRQ_HANDLED; }在 drv_init 中新增//等待队列头 static wait_queue_head_t wq; //等待条件 static int wait_condition 0; //初始化等待队列头 init_waitqueue_head(wq);结果

Linux驱动---Linux 中断系统及其上与下半部的介绍与阻塞IO实现按键检测

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