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Linux设备驱动程序学习笔记

中断处理

[日期:2011-08-28] 来源:Linux社区  作者:en_wang [字体: ]

尽管有些设备仅仅通过控制其寄存器就可以得到控制,但现实中的大部分设备却要比这复杂一些。因为大部分设备的处理时间与处理器不在同一个周期,且一定会比处理器慢的多,这就造成了一种让处理器等待设备的现象,显然这是不行的,而有一种解决方法就是中断操作。

中断仅仅就是一个信号,当硬件需要获得处理器对它的关注时,就可以发送这个信号。 Linux 处理中断的方式非常类似在用户空间处理信号的方式。大多数情况下,一个驱动只需要为它的设备的中断注册一个处理例程,并当中断到来时进行正确的处理。本质上来讲,中断处理例程和其他的代码并行运行。因此,它们不可避免地引起并发问题,并竞争数据结构和硬件。 透彻地理解并发控制技术对中断来讲非常重要。

安装中断处理例程

中断信号线

内核维护了一个中断信号线的注册表,改注册表类似于I/O端口的注册表。模块在使用中断之前要先请求一个中断通道(或者中断请求IRQ),然后在使用后释放该通道。

<linux/sched.h>

int request_irq(unsigned long irq,

                        irqreturn_t (*handler)(int,void *,struct pt_regs *),

                        unsigned long flags,

                        const char *dev_name,

                        void *dev_id);

表示注册中断,返回值: 0 指示成功,或返回一个负的错误码,如 -EBUSY 表示另一个驱动已经占用了你所请求的中断线。

参数:

unsigned int irq:要申请的中断号

irqreturn_t (*handler)(int,void *,struct pt_regs *):要安装的中断处理函数的指针

unsigned long flags:与中断管理相关的位掩码选项

const char *dev_name:传递给request_irq的字符串,用来在/proc/interrupts显示中断的拥有者

void *dev_id:用于共享的中断信号线,它是唯一的标识,在中断线空闲时可以使用它,驱动程序也可以用它来指向自己的私有数据区(来标识哪个设备产生中断)。若中断没有被共享,dev_id 可以设置为 NULL,但推荐用它指向设备的数据结构。

flags:

SA_INTERRUPT快速中断标志。快速中断处理例程运行在当前处理器禁止中断的状态下。
SA_SHIRQ : 在设备间共享中断标志。
SA_SAMPLE_RANDOM :该位表示产生的中断能对 /dev/random 和 /dev/urandom 使用的熵池(entropy pool)有贡献。 读取这些设备会返回真正的随机数,从而有助于应用程序软件选择用于加密的安全密钥。 若设备以真正随机的周期产生中断,就应当设置这个标志。若设备中断是可预测的,这个标志不值得设置。可能被攻击者影响的设备不应当设置这个标志。更多信息看 drivers/char/random.c 的注释。

void free_irq(unsigned int irq,void *dev_id);

释放中断

中断处理例程可在驱动初始化时或在设备第一次打开时安装。推荐在设备第一次打开、硬件被告知产生中断前时申请中断,因为可以共享有限的中断资源。这样调用 free_irq 的位置是设备最后一次被关闭、硬件被告知不用再中断处理器之后。但这种方式的缺点是必须为每个设备维护一个打开计数。

以下是中断申请的示例(并口):

if (short_irq >= 0)
{
        result = request_irq(short_irq, short_interrupt,
                             SA_INTERRUPT, "short", NULL);
        if (result) {
                printk(KERN_INFO "short: can't get assigned irq %i\n",
                       short_irq);

                short_irq = -1;
        } else { /*打开中断硬件的中断能力*/
                outb(0x10,short_base+2);
        }
}

i386 和 x86_64 体系定义了一个函数来查询一个中断线是否可用:

int can_request_irq(unsigned int irq, unsigned long flags);

/*当能够成功分配给定中断,则返回非零值。但注意,在 can_request_irq 和 request_irq 的调用之间给定中断可能被占用*/

x86中断处理内幕

这个描述是从 2.6 内核 arch/i386/kernel/irq.c, arch/i386/kernel/ apic.c, arch/i386/kernel/entry.S, arch/i386/kernel/i8259.c, 和 include/asm-i386/hw_irq.h 中得出,尽管基本概念相同,硬件细节与其他平台上不同。

底层中断处理代码在汇编语言文件 entry.S。在所有情况下,这个代码将中断号压栈并且跳转到一个公共段,公共段会调用 do_IRQ(在 irq.c 中定义)。do_IRQ 做的第一件事是应答中断以便中断控制器能够继续其他事情。它接着获取给定 IRQ 号的一个自旋锁,阻止其他 CPU 处理这个 IRQ,然后清除几个状态位(包括IRQ_WAITING )然后查找这个 IRQ 的处理例程。若没有找到,什么也不做;释放自旋锁,处理任何待处理的软件中断,最后 do_IRQ 返回。从中断中返回的最后一件事可能是一次处理器的重新调度。

IRQ的探测是通过为每个缺乏处理例程的IRQ设置 IRQ_WAITING 状态位来完成。当中断发生, 因为没有注册处理例程,do_IRQ 清除这个位并且接着返回。 当probe_irq_off被一个函数调用,只需搜索没有设置 IRQ_WAITING 的 IRQ。

快速和慢速处理例程

快速中断是那些能够很快处理的中断,而处理慢速中断会花费更长的时间。在处理慢速中断时处理器重新使能中断,避免快速中断被延时过长。在现代内核中,快速和慢速中断的区别已经消失,剩下的只有一个:快速中断(使用 SA_INTERRUPT )执行时禁止所有在当前处理器上的其他中断。注意:其他的处理器仍然能够处理中断。

除非你充足的理由在禁止其他中断情况下来运行中断处理例程,否则不应当使用SA_INTERRUPT.

/proc接口

当硬件中断到达处理器时, 内核提供的一个内部计数器会递增,产生的中断报告显示在文件 /proc/interrupts中。这一方法可以用来检查设备是否按预期地工作。此文件只显示当前已安装处理例程的中断的计数。若以前request_irq的一个中断,现在已经free_irq了,那么就不会显示在这个文件中,但是它可以显示终端共享的情况。

/proc/stat记录了几个关于系统活动的底层统计信息, 包括(但不仅限于)自系统启动以来收到的中断数。 stat 的每一行以一个字符串开始, 是该行的关键词:intr 标志是中断计数。第一个数是所有中断的总数, 而其他每一个代表一个单独的中断线的计数, 从中断 0 开始(包括当前没有安装处理例程的中断),无法显示终端共享的情况。

以上两个文件的一个不同是:/proc/interrupts几乎不依赖体系,而/proc/stat的字段数依赖内核下的硬件中断,其定义在<asm/irq.h>中。ARM的定义为:

#define NR_IRQS    128

 

自动检测 IRQ 号

驱动初始化时最迫切的问题之一是决定设备要使用的IRQ 线,驱动需要信息来正确安装处理例程。自动检测中断号对驱动的可用性来说是一个基本需求。有时自动探测依赖一些设备具有的默认特性,以下是典型的并口中断探测程序:

if (short_irq < 0) /* 依靠使并口的端口号,确定中断*/
switch(short_base) {
case 0x378: short_irq = 7; break;
case 0x278: short_irq = 2; break;
case 0x3bc: short_irq = 5; break;
}

有的驱动允许用户在加载时覆盖默认值:

insmod xxxxx.ko irq=x

当目标设备有能力告知驱动它要使用的中断号时,自动探测中断号只是意味着探测设备,无需做额外的工作探测中断。

但不是每个设备都对程序员友好,对于他们还是需要一些探测工作。这个工作技术上非常简单: 驱动告知设备产生中断并且观察发生了什么。如果一切顺利,则只有一个中断信号线被激活。尽管探l测在理论上简单,但实现可能不简单。有 2 种方法来进行探测中断:调用内核定义的辅助函数DIY探测

内核帮助下的探测:

linux提供了一个底层设施来探测中断号。它只能在非共享中断的模式下工作,但是大多数硬件有能力工作在共享中断的模式下,并可提供更好的找到配置中断号的方法,内核提供的这一设施由两个函数组成,在头文件<linux/interrupt.h>中声明:

<linux/interrupt.h>

unsigned long probe_irq_on(void);

/*返回一个未分配中断的位掩码。驱动必须保留返回的位掩码,并在后边传递给probe_irq_off,在调用它之后,驱动程序应当至少安排它的设备产生一次中断*/

int probe_irq_off(unsigned long);

/*在请求设备产生一次中断后,驱动调用这个函数,并将probe_irq_on产生的位掩码作为参数传递给probe_irq_off,probe_irq_off返回在probe_on之后发生的中断号。如果没有中断发生,返回0,如果产生了多次中断,返回一个负值。*/

程序员应当注意在调用 probe_irq_on 之后启用设备上的中断, 并在调用 probe_irq_off 前禁用。此外还必须记住在 probe_irq_off 之后服务设备中待处理的中断。


以下是LDD3中的并口示例代码,(并口的管脚 9 和 10 连接在一起,探测五次失败后放弃):

intcount= 0;
do
{
        unsigned long mask;
        mask = probe_irq_on();
        outb_p(0x10,short_base+2);/* enable reporting */
        outb_p(0x00,short_base);/* clear the bit */
        outb_p(0xFF,short_base);/* set the bit: interrupt! */
        outb_p(0x00,short_base+2);/* disable reporting */
        udelay(5);/* give it some time */
        short_irq = probe_irq_off(mask);

        if (short_irq== 0){/* none of them? */
                printk(KERN_INFO "short: no irq reported by probe\n");
                short_irq = -1;
        }
} while (short_irq < 0 && count++< 5);
if (short_irq< 0)
        printk("short: probe failed %i times, giving up\n",count);

最好只在模块初始化时探测中断线一次。
大部分体系定义了这两个函数( 即便是空的 )来简化设备驱动的移植。

 

DIY探测:

DIY探测与前面原理相同: 使能所有未使用的中断, 接着等待并观察发生什么。我们对设备的了解:通常一个设备能够使用3或4个IRQ 号中的一个来进行配置,只探测这些 IRQ 号使我们能不必测试所有可能的中断就探测到正确的IRQ 号。

下面的LDD3中的代码通过测试所有"可能的"中断并且察看发生的事情来探测中断。 trials 数组列出要尝试的中断, 以 0 作为结尾标志; tried 数组用来跟踪哪个中断号已经被这个驱动注册。

int trials[]= {3, 5, 7, 9, 0};
int tried[]={0, 0, 0, 0, 0};
int i, count = 0;


for (i = 0; trials[i]; i++)
        tried[i]= request_irq(trials[i], short_probing,
                               SA_INTERRUPT, "short probe", NULL);
do
{
        short_irq = 0;/* none got, yet */
        outb_p(0x10,short_base+2);/* enable */
        outb_p(0x00,short_base);
        outb_p(0xFF,short_base);/* toggle the bit */
        outb_p(0x00,short_base+2);/* disable */
        udelay(5);/* give it some time */
         /* 等待中断,若在这段时间有中断产生,handler会改变 short_irq */
        /* the value has been set by the handler */
        if (short_irq== 0){/* none of them? */
                printk(KERN_INFO "short: no irq reported by probe\n");
        }
 } while (short_irq <=0&&count++< 5);

/* end of loop, uninstall the handler */
for (i = 0; trials[i]; i++)
        if (tried[i]== 0)
                free_irq(trials[i],NULL);

if (short_irq< 0)
        printk("short: probe failed %i times, giving up\n",count);

以下是handler的源码:

irqreturn_t short_probing(int irq,void*dev_id,struct pt_regs*regs)
{
    if (short_irq== 0) short_irq= irq;/* found */
 if (short_irq!= irq) short_irq=-irq;/* ambiguous */
 return IRQ_HANDLED;
}

若事先不知道"可能的" IRQ ,就需要探测所有空闲的中断,所以不得不从 IRQ 0 探测到 IRQ NR_IRQS-1

实现中断处理例程

1.中断处理例程是在中断时间内运行的,因此行为会受到一些限制。这些限制跟我们在内核定时器中看到的一样。

处理例程不能向用户空间发送或者接收数据,因为它不是在任何进程上下文中执行的

处理例程也不能做任何可能发生休眠的操作,例如调用wait_event,使用不带GFP_ATOMIC标志的内存分配操作,或者锁住一个信号量等等

处理例程不能调用schdule函数

2.中断处理理财的功能就是将有关中断接收的信息反馈给设备,并根据正在服务的终端的不同含义对对数据进行相应的读或写。中断处理例程第一步常常包括清除设备的一个中断标志位,大部分硬件设备在清除"中断挂起"位前不会再产生中断。这也要根据硬件的工作原理决定, 这一步也可能需要在最后做而不是开始; 这里没有通用的规则。一些设备不需要这步, 因为它们没有一个"中断挂起"位; 这样的设备是少数。

3.中断处理的一个典型 任务:如果中断通知进程所等待的事件已经发生,比如新的数据已经到达,就会唤醒在设备上休眠的进程。

不管是快速或慢速处理例程,程序员应编写执行时间尽可能短的处理例程。 如果需要进行长时间计算, 最好的方法是使用 tasklet 或者 workqueue 在一个更安全的时间来调度计算任务。

 

启用和禁止中断

 

有时设备驱动必须在一段时间(希望较短)内阻塞中断发生。并必须在持有一个自旋锁时阻塞中断,以避免死锁系统。注意:应尽量少禁止中断,即使是在设备驱动中,且这个技术不应当用于驱动中的互斥机制。

禁止单个中断
有时(但是很少!)一个驱动需要禁止一个特定中断。但不推荐这样做,特别是不能禁止共享中断(在现代系统中, 共享的中断是很常见的)。内核提供了 3 个函数,是内核 API 的一部分,声明在 <asm/irq.h>:

void disable_irq(int irq);/*禁止给定的中断, 并等待当前的中断处理例程结束。如果调用 disable_irq 的线程持有任何中断处理例程需要的资源(例如自旋锁), 系统可能死锁*/
void disable_irq_nosync(int irq);/*禁止给定的中断后立刻返回(可能引入竞态)*/
void enable_irq(int irq);

 
调用任一函数可能更新在可编程控制器(PIC)中的特定 irq 的掩码, 从而禁止或使能所有处理器特定的 IRQ。这些函数的调用能够嵌套,即如果 disable_irq 被连续调用 2 次,则需要 2 个 enable_irq 重新使能 IRQ 。可以在中断处理例程中调用这些函数,但在处理某个IRQ时再打开它是不好的做法。
 
禁止所有中断
在 2.6 内核, 可使用下面 2 个函数中的任一个(定义在 <asm/system.h>)关闭当前处理器上所有中断:

void local_irq_save(unsignedlong flags);/*在保存当前中断状态到 flags 之后禁止中断*/
void local_irq_disable(void);/* 关闭中断而不保存状态*/
/*如果调用链中有多个函数可能需要禁止中断, 应使用 local_irq_save*/
/*打开中断使用:*/
void local_irq_restore(unsignedlong flags); 

void local_irq_enable(void);
/*2.6内核,没有方法全局禁用整个系统上的所有中断*/

 

顶半部和底半部

中断处理需要很快完成,并且不需要阻塞太长,所以中断处理的一个主要问题就是中断处理例程中完成耗时的任务。

linux通过将中断处理分成两部分来完成这个任务:

1.顶半部:实际响应中断的例程(request_irq注册的那个例程)

2.底半部:被顶半部调用并在稍后更安全的一个时间里执行的函数。

他们最大的不同在底半部处理例程执行时,所有中断都是打开的(这就是所谓的在更安全的时间内运行)。典型的情况是:顶半部保存设备数据到一个设备特定的缓存并调度它的底半部,最后退出:这个操作非常快。底半部接着进行任何其他需要的工作。这种方式的好处是在底半部工作期间,顶半部仍然可以继续为新中断服务。

Linux 内核有 2 个不同的机制可用来实现底半部处理:

1tasklet (首选机制),它非常快, 但是所有的 tasklet 代码必须是原子的;

2)工作队列,它可能有更高的延时,但允许休眠。

tasklet和工作队列在《时间、延迟及延缓操作》已经介绍过,具体的实现代码请看实验源码!

 

中断共享

Linux内核支持在所有总线上中断共享。

安装共享的处理例程

通过 request_irq来安装共享中断与非共享中断有2点不同:

1)当request_irq时,flags中必须指定SA_SHIRQ位;

2dev_id必须唯一。任何指向模块地址空间的指针都行,但dev_id绝不能设置为NULL

内核为每个中断维护一个中断共享处理例程列表,dev_id就是区别不同处理例程的签名。释放处理例程通过执行free_irq实现。 dev_id用来从这个中断的共享处理例程列表中选择正确的处理例程来释放,这就是为什么dev_id必须是唯一的.

 

请求一个共享的中断时,如果满足下列条件之一,则request_irq成功:

1)中断线空闲;

2)所有已经注册该中断信号线的处理例程也标识了IRQ是共享。

一个共享的处理例程必须能够识别自己的中断,并且在自己的设备没有被中断时快速退出(返回IRQ_NONE)。

共享处理例程没有探测函数可用,但使用的中断信号线是空闲时标准的探测机制才有效。

一个使用共享处理例程的驱动需要小心:不能使用enable_irqdisable_irq,否则,对其他共享这条线的设备就无法正常工作了。即便短时间禁止中断,另一设备也可能产生延时而为设备和其用户带来问题。所以程序员必须记住:他的驱动并不是独占这个IRQ,它的行为应当比独占这个中断线更加"社会化"

中断驱动的I/O

当与驱动程序管理的硬件间的数据传送可能因为某种原因而延迟,驱动编写者应当实现缓存。一个好的缓存机制需采用中断驱动的I/O,一个输入缓存在中断时被填充,并由读取设备的进程取走缓冲区的数据,一个输出缓存由写设备的进程填充,并在中断时送出数据。

为正确进行中断驱动的数据传送,硬件应能够按照下列语义产生中断:

输入:当新数据到达时并处理器准备好接受时,设备中断处理器。

输出:当设备准备好接受新数据或确认一个成功的数据传送时,设备产生中断。

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