Linux內(nèi)核開(kāi)發(fā)之中斷與時(shí)鐘(一)

　　“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(jí)東西，錯(cuò)過(guò)不補(bǔ)哈”我使勁推著睡夢(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(zhí)行過(guò)程中，出現(xiàn)了某些突發(fā)事件時(shí)CPU必須暫停執(zhí)行當(dāng)前的程序，轉(zhuǎn)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(xù)執(zhí)行。

　　中斷的分法不懂，分類(lèi)就不同，向什么內(nèi)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(zhuǎn)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(hào)，當(dāng)檢測(cè)到某中斷號(hào)的中斷到來(lái)后，就自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到與該中斷號(hào)對(duì)應(yīng)的地址執(zhí)行。不同的中斷號(hào)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(jù)軟件判斷中斷標(biāo)志來(lái)識(shí)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?cè)诤筮厱?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(xiàn)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(dāng)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)，就將目前的計(jì)數(shù)器值加1并和預(yù)先設(shè)置的計(jì)數(shù)值比較，若相等，證明計(jì)數(shù)周期滿(mǎn)，產(chǎn)生定時(shí)器中斷并復(fù)位目前計(jì)數(shù)器值。

　　Linux中斷處理架構(gòu)

　　設(shè)備的中斷會(huì)打斷內(nèi)核中進(jìn)程的正常調(diào)度和運(yùn)行，會(huì)影響系統(tǒng)的性能。為了在中斷執(zhí)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(shè)備驅(qū)動(dòng)中，提供了一系列函數(shù)來(lái)幫助設(shè)備實(shí)現(xiàn)中斷的相關(guān)操作：

　　1)設(shè)備申請(qǐng)中斷

　　int request_irq(unsigned int irq, //irq是要申請(qǐng)的中斷號(hào)

　　void (*handler)(int irq, void *dev_id, struct pt_regs * *regs),//回調(diào)函數(shù)，中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用該函數(shù)，

　　unsigned long irqflags,

　　const char *devname,

　　void *dev_id);

　　其中irqflags是中斷處理的屬性，若設(shè)置為SA_INTERRUPT,則表示中斷處理程序是快速處理程序，它被調(diào)用時(shí)屏蔽所有中斷。若設(shè)置為SA_SHIRQ,則表示多個(gè)設(shè)備共享中斷，dev_id在中斷共享時(shí)會(huì)用到，一般設(shè)置為這個(gè)設(shè)備的設(shè)備結(jié)構(gòu)體或者NULL.

　　該函數(shù)返回0表示成功，返回-INVAL表示中斷號(hào)無(wú)效或處理函數(shù)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(shù)作用于可編程中斷處理器，因此對(duì)系統(tǒng)內(nèi)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(nèi)的所有中斷。對(duì)應(yīng)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(tǒng)中中斷是分為頂半部和底半部的，那么在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方面是具體怎樣實(shí)現(xiàn)的呢，這主要有tasklet，工作隊(duì)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(shù)

　　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(shù)綁定，而傳入?yún)?shù)為data

　　在需要調(diào)度tasklet的時(shí)候引用一個(gè)tasklet_schedule()函數(shù)就能使系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候進(jìn)行調(diào)度運(yùn)行：tasklet_schedule(&my_tasklet);

　　2)工作隊(duì)列：使用方法和tasklet相似，如下：

　　struct work_struct my_wq; //定義一個(gè)工作隊(duì)列

　　void my_wq_func(unsigned long); //定義一個(gè)處理函數(shù)

　　通過(guò)INIT_WORK()可以初始化這個(gè)工作隊(duì)列并將工作隊(duì)列與處理函數(shù)綁定，如下：

　　INIT_WORK(&my_wq, (void (*)(void *))my_wq_func, NULL); //初始化工作隊(duì)列并將其與處理函數(shù)綁定

　　同樣，使用schedule_work(&my_irq);來(lái)在系統(tǒng)在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候需要調(diào)度時(shí)使用運(yùn)行。

　　3)軟中斷：使用軟件方式模擬硬件中斷的概念，實(shí)現(xiàn)宏觀上的異步執(zhí)行效果，tasklet也是基于軟中斷實(shí)現(xiàn)的。

　　在Linux內(nèi)核中，用softirq_action結(jié)構(gòu)體表征一個(gè)軟中斷，這個(gè)結(jié)構(gòu)體中包含軟中斷處理函數(shù)指針和傳遞給函數(shù)的參數(shù)，使用open_softirq()可以注冊(cè)軟中斷對(duì)應(yīng)的處理函數(shù)，而raise_softirq()函數(shù)可以觸發(fā)一個(gè)中斷。

　　軟中斷和tasklet仍然運(yùn)行與中斷上下文，而工作隊(duì)列則運(yùn)行于進(jìn)程上下文。因此，軟中斷和tasklet的處理函數(shù)不能休眠，但工作隊(duì)列是可以的。

　　local_bh_disable()和local_bh_enable()是內(nèi)核用于禁止和使能軟中斷和tasklet底半部機(jī)制的函數(shù)。

　　下邊咱們?cè)賮?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(shè)備共享一根硬件中斷線(xiàn)的情況。Linux2.6內(nèi)核支持中斷共享，使用方法如下：

　　*共享中斷的多個(gè)設(shè)備在申請(qǐng)中斷時(shí)都應(yīng)該使用SA_SHIRQ標(biāo)志，而且一個(gè)設(shè)備以SA_SHIRQ申請(qǐng)某中斷成功的前提是之前該中斷的所有設(shè)備也都以SA_SHIRQ標(biāo)志申請(qǐng)?jiān)摻K端

　　*盡管內(nèi)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(shù)dev_id,但是設(shè)備結(jié)構(gòu)體指針是可傳入的最佳參數(shù)。

　　*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(zhí)行，在中斷處理程序頂半部中，應(yīng)迅速根據(jù)硬件寄存器中的信息比照傳入的dev_id參數(shù)判斷是否是被設(shè)備的中斷，如果不是，應(yīng)迅速返回。

　　結(jié)語(yǔ)：在這次講解中說(shuō)了三種Linux系統(tǒng)中中斷的頂/底半部機(jī)制和中斷共享的先關(guān)內(nèi)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(duì)每個(gè)點(diǎn)給出典型的模版.