“小王，醒醒，開(kāi)始上課了，今天咱們開(kāi)始講中斷，這可是高級東西，錯過(guò)不補哈”我使勁推著(zhù)睡夢(mèng)中的小王。
“嗯？感情好啊，快點(diǎn)，快點(diǎn)”小王一聽(tīng)有新東西講，像打了雞血似的興奮，連我都懷疑起她是不是性格中喜新厭舊。
不管那么多了，我講我的，她厭她的…
啥叫中斷？就是指cpu在執行過(guò)程中，出現了某些突發(fā)事件時(shí)CPU必須暫停執行當前的程序，轉去處理突發(fā)事件，處理完畢后CPU有返回原程序被中斷的位置并繼續執行。
中斷的分法不懂，分類(lèi)就不同，向什么內外部中斷，可/不可屏蔽中斷…等等亂七八糟一大堆，我這里要說(shuō)明的一點(diǎn)是按照中斷入口跳轉方法的不同，可分為向量中斷和非向量中斷。采用向量中斷的CPU通常為不同的中斷分配不同的中斷號，當檢測到某中斷號的中斷到來(lái)后，就自動(dòng)跳轉到與該中斷號對應的地址執行。不同的中斷號有不同的中斷地址（即入口）。而非向量中斷的多個(gè)中斷共享一個(gè)入口地址。進(jìn)入后根據軟件判斷中斷標志來(lái)識別具體是哪個(gè)中斷。也就是說(shuō)，向量中斷是由硬件提供中斷服務(wù)程序入口地址，非向量中斷由軟件提供中斷服務(wù)程序入口地址。
我們在后邊會(huì )說(shuō)到一個(gè)時(shí)鐘定時(shí)器，它也是通過(guò)中斷來(lái)實(shí)現的。它的原理很簡(jiǎn)單，嵌入式微處理器它接入一個(gè)時(shí)鐘輸入，當時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)，就將目前的計數器值加1并和預先設置的計數值比較，若相等，證明計數周期滿(mǎn)，產(chǎn)生定時(shí)器中斷并復位目前計數器值。
Linux中斷處理架構
設備的中斷會(huì )打斷內核中進(jìn)程的正常調度和運行，會(huì )影響系統的性能。為了在中斷執行時(shí)間盡可能短和中斷處理需完成大量工作之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)，Linux將中斷處理程序分解成兩個(gè)半部：頂半部和底半部。其中頂半部盡可能完成盡可能少的比較緊急的功能。而底半部幾乎做了中斷處理程序所有的事情，而且可以被新的中斷打斷。
在linux設備驅動(dòng)中，提供了一系列函數來(lái)幫助設備實(shí)現中斷的相關(guān)操作：
1）設備申請中斷
int request_irq(unsigned int irq, //irq是要申請的中斷號
void (*handler)(int irq, void *dev_id, struct pt_regs * *regs),//回調函數，中斷發(fā)生時(shí)，系統會(huì )調用該函數，
unsigned long irqflags,
const char *devname,
void *dev_id);
其中irqflags是中斷處理的屬性，若設置為SA_INTERRUPT,則表示中斷處理程序是快速處理程序，它被調用時(shí)屏蔽所有中斷。若設置為SA_SHIRQ,則表示多個(gè)設備共享中斷，dev_id在中斷共享時(shí)會(huì )用到，一般設置為這個(gè)設備的設備結構體或者NULL.
該函數返回0表示成功，返回-INVAL表示中斷號無(wú)效或處理函數指針為NULL,返回EBUSY表示中斷已經(jīng)被占用且不能共享。
2）釋放中斷
free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);
3)使能和屏蔽中斷
void disable_irq(int irq); //這個(gè)會(huì )立即返回
void disable_irq_nosync(int irq);//等待目前的中斷處理完成再返回。
void enable_irq(int irq);
上述三個(gè)函數作用于可編程中斷處理器，因此對系統內所有的CPU都生效。
void local_irq_save(unsigned long flags);//會(huì )將目前的中斷狀態(tài)保留在flags中
void local_irq_disable(void);//直接中斷
這兩個(gè)將屏蔽本CPU內的所有中斷。對應的上邊兩個(gè)中斷的方法如下
void local_irq_restore(unsigned long flags);
void local_irq_enable(void);
我們兩邊說(shuō)了Linux系統中中斷是分為頂半部和底半部的，那么在系統實(shí)現方面是具體怎樣實(shí)現的呢，這主要有tasklet，工作隊列，軟中斷：
1)tasklet：使用比較簡(jiǎn)單，如下：
void my_tasklet_function(unsigned long); //定義一個(gè)處理函數
DECLARE_TASKLET(my_tasklet, my_tasklet_function, data); //定義了一個(gè)名叫my_tasklet的tasklet并將其與處理函數綁定，而傳入參數為data
在需要調度tasklet的時(shí)候引用一個(gè)tasklet_schedule()函數就能使系統在適當的時(shí)候進(jìn)行調度運行：tasklet_schedule(&my_tasklet);
2)工作隊列：使用方法和tasklet相似，如下：
struct work_struct my_wq; //定義一個(gè)工作隊列
void my_wq_func(unsigned long); //定義一個(gè)處理函數
通過(guò)INIT_WORK()可以初始化這個(gè)工作隊列并將工作隊列與處理函數綁定，如下：
INIT_WORK(&my_wq, (void (*)(void *))my_wq_func, NULL); //初始化工作隊列并將其與處理函數綁定
同樣，使用schedule_work(&my_irq)；來(lái)在系統在適當的時(shí)候需要調度時(shí)使用運行。
3)軟中斷：使用軟件方式模擬硬件中斷的概念，實(shí)現宏觀(guān)上的異步執行效果，tasklet也是基于軟中斷實(shí)現的。
在Linux內核中，用softirq_action結構體表征一個(gè)軟中斷，這個(gè)結構體中包含軟中斷處理函數指針和傳遞給函數的參數，使用open_softirq()可以注冊軟中斷對應的處理函數，而raise_softirq()函數可以觸發(fā)一個(gè)中斷。
軟中斷和tasklet仍然運行與中斷上下文，而工作隊列則運行于進(jìn)程上下文。因此，軟中斷和tasklet的處理函數不能休眠，但工作隊列是可以的。
local_bh_disable()和local_bh_enable()是內核用于禁止和使能軟中斷和tasklet底半部機制的函數。
下邊咱們再來(lái)說(shuō)說(shuō)有關(guān)中斷共享的相關(guān)點(diǎn)：中斷共享即是多個(gè)設備共享一根硬件中斷線(xiàn)的情況。Linux2.6內核支持中斷共享，使用方法如下：
*共享中斷的多個(gè)設備在申請中斷時(shí)都應該使用SA_SHIRQ標志，而且一個(gè)設備以SA_SHIRQ申請某中斷成功的前提是之前該中斷的所有設備也都以SA_SHIRQ標志申請該終端
*盡管內核模塊可訪(fǎng)問(wèn)的全局地址都可以作為request_irq(….,void *dev_id)的最后一個(gè)參數dev_id,但是設備結構體指針是可傳入的最佳參數。
*在中斷帶來(lái)時(shí)，所有共享此中斷的中斷處理程序都會(huì )被執行，在中斷處理程序頂半部中，應迅速根據硬件寄存器中的信息比照傳入的dev_id參數判斷是否是被設備的中斷，如果不是，應迅速返回。
結語(yǔ)：在這次講解中說(shuō)了三種Linux系統中中斷的頂/底半部機制和中斷共享的先關(guān)內容，但礙于頁(yè)面空間的原因，沒(méi)有給出例子，我在下次博客中會(huì )專(zhuān)門(mén)來(lái)對每個(gè)點(diǎn)給出典型的模版.
Linux內核開(kāi)發(fā)之中斷與時(shí)鐘(二)
“小濤哥，快醒醒，快醒醒..”小王使勁推著(zhù)睡夢(mèng)中的我，“你不是說(shuō)今天要講昨天有關(guān)的典型模板實(shí)例嗎…”
“??？小姐啊，現在才早上8點(diǎn)，還讓人睡覺(jué)不，別吵”我一頭鉆進(jìn)被子里說(shuō)。
“不管，誰(shuí)讓你昨天不說(shuō)完，還賣(mài)個(gè)小關(guān)子，害我昨天晚上都沒(méi)睡好，想了一晚上…”
我揉揉蒙蒙的眼說(shuō)：“行，權當看在你渴求的心情上，但只此一次，下不為例，我還想好好睡懶覺(jué)呢..”
昨天我們講了有關(guān)中斷方面的東西，鑒于小王你不太懂，我今天就專(zhuān)門(mén)拿出一章來(lái)說(shuō)說(shuō)前邊中斷的使用典型模版，你照抄也方便不是：
1)在中斷分類(lèi)中，我們說(shuō)到了有關(guān)向量中斷和非向量中斷，向量中斷就是入口地址不同，進(jìn)不同的地址做不同的事。那非向量中斷則是進(jìn)同一地址，至于區分就放在了進(jìn)去后用條件判斷,請看下邊的模板：
irq_handler(){ ... int int_src = read_int_status(); //讀硬件的中斷相關(guān)寄存器 switch(int_src) //判斷中斷源 ｛ case DEV_A: dev_a_handler(); break; case DEV_B: dev_b_handler(); break; .... default: break; ｝}2)在底半部機制中，我們講了tasklet，工作隊列和軟中斷先來(lái)看tasklet
tasklet使用模版：
void xxx_do_tasklet(unsigned long);DECLARE_TASKLET(XXX_tasklet, xxx_do_tasklet, 0);void xxx_do_tasklet(unsigned long) //中斷處理底半部{ .....}irqreturn_t xxx_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs) //中斷處理頂半部{ ... tasklet_schedule(&xxx_tasklet);}int __init xxx_init(void) //設備驅動(dòng)模塊加載函數{ .. result= request_irq(xxx_irq, xxx_interrupt, SA_INTERRUPT, "XXX",NULL); //申請中斷 ...}void __exit xxx_exit(void) //設備驅動(dòng)卸載模塊{ .. free_irq(xxx_irq, xxx_interrupt); //釋放中斷 ..}
struct work_struct xxx_wq;void xxx_do_work(unsigned long);void xxx_do_work(unsigned long) //中斷處理底半部{ .....}irqreturn_t xxx_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs) //中斷處理頂半部{ ... schedule_work(&xxx_wq);}int xxx_init(void) //設備驅動(dòng)模塊加載函數{ .. result= request_irq(xxx_irq, xxx_interrupt, SA_INTERRUPT, "XXX",NULL); //申請中斷 ... INIT_WORK(&xxx_wq, (void (*)(void *))xxx_do_work, NULL); ...}void __exit xxx_exit(void) //設備驅動(dòng)卸載模塊{ .. free_irq(xxx_irq, xxx_interrupt); //釋放中斷 ..}
3)在上節最后我還給你講了有關(guān)中斷共享的東西吧，小王，也把模版給你：
irqreturn_t xxx_interrupt(int irq, void *dev_id, struct pt_regs *regs) //中斷處理頂半部{ ... int status = read_int_status(); //獲取終端源 if(!is_myint(dev_id, status)) //判斷是否是本設備的中斷 { return IRQ_NONE://立即返回 } .. return IRQ_HANDLED;}int __init xxx_init(void) //設備驅動(dòng)模塊加載函數{ .. result= request_irq(xxx_irq, xxx_interrupt, SA_SHIRQ, "XXX",xxx_dev); //申請共享中斷 ...}void __exit xxx_exit(void) //設備驅動(dòng)卸載模塊{ .. free_irq(xxx_irq, xxx_interrupt); //釋放中斷 ..}
共享中斷中，我們仔細看一下其實(shí)也沒(méi)什么，不是。就是在和前邊中斷中要修改一下中斷標志，在中斷處理中判斷一下是否是自己本地的中斷，這個(gè)我都用紅色的標識出來(lái)了。
“小王，看，小濤哥說(shuō)話(huà)算數吧，上邊給出了所有模版，結合前一篇，相信你可以看的很順利的。好了，我要補補剛的覺(jué)了，中間不許叫我哈，想我也不行”我打打哈欠說(shuō)。
Linux內核開(kāi)發(fā)之中斷與時(shí)鐘(三)
晚上7點(diǎn)10分..
“小濤哥，這章不是叫Linux設備驅動(dòng)程序之中斷與時(shí)鐘，前邊你講了中斷，還給了我很多模版，我都看懂了，這次是不是要開(kāi)始講時(shí)鐘了..”
“真聰明，越來(lái)越喜歡你這聰明的樣子了，說(shuō)的不錯，今天就要開(kāi)始一個(gè)新的模塊--內核時(shí)鐘”我很少夸人，為啥今天夸她呢了，呵呵.
定時(shí)器，意思大家都明白，我就不說(shuō)了，要是不明白，把它想成個(gè)鬧鐘總可以吧..
定時(shí)器分為硬件和軟件定時(shí)器，軟件定時(shí)器最終還是要依靠硬件定時(shí)器來(lái)完成。內核在時(shí)鐘中斷發(fā)生后檢測各定時(shí)器是否到期，到期后的定時(shí)器處理函數將作為軟中斷在底半部執行。實(shí)質(zhì)上，時(shí)鐘中斷處理程序執行update_process_timers函數，該函數調用run_local_timers函數，這個(gè)函數處理TIMER_SOFTIRQ軟中斷，運行當前處理上到期的所有定時(shí)器。
Linux內核中定義提供了一些用于操作定時(shí)器的數據結構和函數如下：
1)timer_list:說(shuō)定時(shí)器，當然要來(lái)個(gè)定時(shí)器的結構體
struct timer_list{ struct list_head entry; //定時(shí)器列表 unsigned long expires; //定時(shí)器到期時(shí)間 void (*function)(unsigned long) ;//定時(shí)器處理函數 unsigned long data; //作為參數被傳入定時(shí)器處理函數 struct timer_base_s *base;}
2)初始化定時(shí)器：void init_timer(struct timer_list *timer);經(jīng)過(guò)這個(gè)初始化后，entry的next為NULL,并給base賦值
3)增加定時(shí)器：void add_timer(struct timer_list *timer); 該函數用于注冊?xún)群硕〞r(shí)器，并將定時(shí)器加入到內核動(dòng)態(tài)定時(shí)器鏈表中。
4)刪除定時(shí)器：int del_timer(struct timer_list *timer);
說(shuō)明：del_timer_sync是del_timer的同步版，主要在多處理器系統中使用，如果編譯內核時(shí)不支持SMP,del_timer_sync和del_timer等價(jià).
5)修改定時(shí)器：int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires);
下邊是一個(gè)使用定時(shí)器的模版：
struct xxx_dev /*second設備結構體*/ { struct cdev cdev; /*cdev結構體*/ ... struct timer_list xxx_timer; /*設備要使用的定時(shí)器*/};int xxx_func1(...) //xxx驅動(dòng)中某函數 { struct xxx_dev *dev = filp->private_data; ... /*初始化定時(shí)器*/ init_timer(&dev->xxx_timer); dev->xxx_timer.function = &xxx_do_handle; dev->xxx_timer.data = (unsigned long)dev; dev->xxx_timer.expires = jiffies + delay; add_timer(&dev->xxx_timer); /*添加（注冊）定時(shí)器*/ ... return 0;}int xxx_func2(...) //驅動(dòng)中某函數 { ... del_timer(&second_devp->s_timer); ...}static void xxx_do_timer(unsigned long arg) //定時(shí)器處理函數 { struct xxx_device *dev = (struct xxx_device *)(arg); ... //調度定時(shí)器再執行 dev->xxx_timer.expires = jiffies + delay; add_timer(&dev->xxx_timer);}
在定時(shí)器函數中往往會(huì )在做完具體工作后，延遲expires并將定時(shí)器再次添加到內核定時(shí)器鏈表中，以便定時(shí)器能被再次觸發(fā)(這句話(huà)我也是從別處抄來(lái)的，別告訴小王哈)。
在內核定時(shí)器中，常常少不了要說(shuō)下內核延遲的事，請接著(zhù)往下看：
1）短延遲：在linux內核中提供了三個(gè)函數來(lái)分別實(shí)現納秒，微秒，毫秒延遲,原理上是忙等待，它根據CPU頻率進(jìn)行一定次數的循環(huán)
void ndelay(unsigned long nsecs); void udelay(unsigned long usecs); void mdelay(unsigned long msecs);
毫秒延遲已經(jīng)相當大了，當然更秒延遲當然要小一些，在內核中，為了性能，最好不要用mdelay，這會(huì )耗費大量cpu資源，那么咋辦呢，涼拌..
void msleep(unsigned int millisecs); unsigned long msleep_interruptible(unsigned int millisecs); void ssleep(unsigned int seconds);
這三個(gè)是內核專(zhuān)門(mén)提供該我們用來(lái)處理毫秒以上的延遲。上述函數將使得調用它的進(jìn)程睡眠參數指定的秒數，其中第二個(gè)是可以被打斷的，其余的兩個(gè)是不可以的。
2）長(cháng)延遲:內核中進(jìn)行延遲最常用的方法就是比較當前的jiffies和目標jiffies(當前的加上時(shí)間間隔的jiffies)，直到未來(lái)的jiffies達到目標jiffies。比如：
unsigned long delay = jiffies + 100; //延遲100個(gè)jiffieswhile(time_before(jiffies, delay));
與time_before對應的還有一個(gè)time_after().其實(shí)就是#define time_before(a,b) time_after(b,a);
另外兩個(gè)是time_after_eq(a,b)和time_before_eq(a,b)
3)睡著(zhù)延遲：這顯然是比忙等待好的方法，因為在未到來(lái)之前，進(jìn)程會(huì )處于睡眠狀態(tài)，把CPU空出來(lái)，讓CPU可以做別的事情，等時(shí)間到了，調用schedule_timeout()就可以喚醒它并重新調度執行。msleep和msleep_interruptible本質(zhì)上都是依靠包含了schedule_timeout的schedule_timeout_uninterruptible()和schedule_
timeout_interruptible()實(shí)現。就像下邊這樣：
void msleep(unsigned int msecs)
{ unsigned long timeout = msecs_to_jiffies(msecs) + 1; while(timeout) timeout = schedule_timeout_uninterruptible(timeout);}unsigned long msleep_interruptible(unsigned int msecs){ unsigned long timeout = msecs_to_jiffies(msecs) + 1; while(timeout && !signal_pending(current)) timeout = schedule_timeout_interruptible(timeout); return jiffies_to_msecs(timeout);}signed long __sched schedule_timeout_interruptible()signed long timeout){ __set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); return schedule_timeout(timeout);}signed long __sched schedule_timeout_uninterruptible()signed long timeout){ __set_current_state(TASK_UNINTERRUPTIBLE); return schedule_timeout(timeout);}
“小王，小王，今天可是這一章節最后一節了，知識點(diǎn)咱們前邊都講過(guò)了，今天主要是給你用前邊的東西講一個(gè)實(shí)際例子---秒字符設備驅動(dòng)程序”
這個(gè)驅動(dòng)程序會(huì )在被打開(kāi)的時(shí)候初始化一個(gè)定時(shí)器并將其添加到內核定時(shí)器鏈表中，每秒輸出一次當前的jiffies，這意味著(zhù)，定時(shí)器處理函數中每次都要修改新的expires。不多說(shuō)了，看代碼分析：
#include …//必要的系統頭文件
#define SECOND_MAJOR 252 /*預設的second的主設備號*/static int second_major = SECOND_MAJOR;struct second_dev /*second設備結構體*/ { struct cdev cdev; /*cdev結構體*/ atomic_t counter;/* 一共經(jīng)歷了多少秒？*/ struct timer_list s_timer; /*設備要使用的定時(shí)器*/};struct second_dev *second_devp; /*設備結構體指針*/static void second_timer_handle(unsigned long arg) /*定時(shí)器處理函數*/ { mod_timer(&second_devp->s_timer,jiffies + HZ); atomic_inc(&second_devp->counter); printk(KERN_NOTICE "current jiffies is %ld\n", jiffies);}
int second_open(struct inode *inode, struct file *filp) /*文件打開(kāi)函數*/ { /*初始化定時(shí)器*/ init_timer(&second_devp->s_timer); second_devp->s_timer.function = &second_timer_handle; second_devp->s_timer.expires = jiffies + HZ; add_timer(&second_devp->s_timer); /*添加（注冊）定時(shí)器*/ atomic_set(&second_devp->counter,0); //計數清0
return 0;}
int second_release(struct inode *inode, struct file *filp) /*文件釋放函數*/ { del_timer(&second_devp->s_timer); return 0;}static ssize_t second_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t count, loff_t *ppos) /*globalfifo讀函數*/
{ int counter; counter = atomic_read(&second_devp->counter); if(put_user(counter, (int*)buf)) return - EFAULT; else return sizeof(unsigned int); }static const struct file_operations second_fops = /*文件操作結構體*/ { .owner = THIS_MODULE, .open = second_open, .release = second_release, .read = second_read,};static void second_setup_cdev(struct second_dev *dev, int index) /*初始化并注冊cdev*/ { int err, devno = MKDEV(second_major, index); cdev_init(&dev->cdev, &second_fops); dev->cdev.owner = THIS_MODULE; dev->cdev.ops = &second_fops; err = cdev_add(&dev->cdev, devno, 1); if (err) printk(KERN_NOTICE "Error %d adding LED%d", err, index);}int second_init(void) /*設備驅動(dòng)模塊加載函數*/ { int ret; dev_t devno = MKDEV(second_major, 0); /* 申請設備號*/ if (second_major) ret = register_chrdev_region(devno, 1, "second"); else /* 動(dòng)態(tài)申請設備號 */ { ret = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 1, "second"); second_major = MAJOR(devno); } if (ret < 0) return ret; /* 動(dòng)態(tài)申請設備結構體的內存*/ second_devp = kmalloc(sizeof(struct second_dev), GFP_KERNEL); if (!second_devp) /*申請失敗*/ { ret = - ENOMEM; goto fail_malloc; }memset(second_devp, 0, sizeof(struct second_dev)); second_setup_cdev(second_devp, 0);
return 0; fail_malloc: unregister_chrdev_region(devno, 1);}void second_exit(void) /*模塊卸載函數*/ { cdev_del(&second_devp->cdev); /*注銷(xiāo)cdev*/ kfree(second_devp); /*釋放設備結構體內存*/ unregister_chrdev_region(MKDEV(second_major, 0), 1); /*釋放設備號*/}MODULE_AUTHOR("hanyan225");MODULE_LICENSE("Dual BSD/GPL");module_param(second_major, int, S_IRUGO);module_init(second_init);module_exit(second_exit);
下面是測試程序：
#include ..//必要的頭文件
main(){ int fd; int counter = 0; int old_counter = 0; fd = open("/dev/second", O_RDONLY); /*打開(kāi)/dev/second設備文件*/ if (fd != - 1) { while (1) { read(fd,&counter, sizeof(unsigned int));//讀目前經(jīng)歷的秒數 if(counter!=old_counter) { printf("seconds after open /dev/second :%d\n",counter); old_counter = counter; } } } else { printf("Device open failure\n"); }}current jiffies is 18769
..
..
“小王,Linux設備驅動(dòng)之中斷與時(shí)鐘也算說(shuō)完了，告一段落了，也不知道你明白沒(méi)，沒(méi)明白，也沒(méi)關(guān)系，不是有我嗎，只是不要一早吵醒我就好，下次我們就要開(kāi)始系統內存方面的東西了…”我說(shuō)。
“好，小濤哥，我好好看看，不懂就問(wèn)你，呵呵..”小王銀鈴般笑著(zhù)還伴著(zhù)怪臉，真是讓人…
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