驱动开发系列04-中断处理

目录

一：概述

二：启用中断

三：注册中断处理程序 

四：自动检测中断号

五：快中断与慢中断

六：中断处理程序

 七：处理参数和返回值

八：禁用中断

九：上半部和下半部

Tasklets

Workqueues

十：共享中断

一：概述

       虽然有时候只需使用I/O端口就能控制设备了，但大多数实际的设备都要更复杂一些。设备必须与外界交互，通常包括磁盘旋转、磁带移动、跨电缆的远距离数据传输等。很多外界交互需要花费多个处理器周期才能完成，速度要比处理器慢得多。让处理器等待外部事件完成几乎总是不可取的，因此必须有一种方式，让设备在发生事件时，或事件处理完成时通知处理器。 而这种通知的方式就是中断。

        中断是设备给处理器发送的一个信号，以便让处理器留意和处理。Linux处理中断的方式与其用户空间处理信号的方式基本相同。对于大多数驱动程序来说，只需为其设备的中断注册一个处理程序，并在中断到达时正确地处理它们即可。当然，在这个简单的逻辑之下，还隐藏一些复杂性；特别是，由于中断处理程序的运行方式不用，中断处理程序所能执行的操作也有一定的限制。

        如果没有真正的硬件设备来产生中断，就很难演示中断的使用。因此，本文中使用的示例代码是与并口(parallel port)一起工作的。在现代硬件中，这种端口已经开始变得稀缺，但幸运的是，大多数人在他们的系统上仍然能够获得可用的端口（实际上在现在电脑上，并口已被USB接口所取代，没有并口的情况下，可以用一根USB转并口线代替）。我们将用一个称为“short”的示例；来演示并口中断的产生和处理。示例名字之所以叫 “short”， 实际上不是 short int 的意思，它是（Simple Hardware Operations and Raw Tests）的简写， 以提醒我们它可以处理中断。

       不过，在进入主题之前，我需要提醒大家注意一点。中断处理程序的本质是与其他代码同时运行。因此，它们不可避免地会引发并发问题以及数据结构和硬件的争用问题。如果不熟悉Linux并发技术的朋友，我建议你回头查下并发的相关资料。因为在中断工作时，对并发控制技术的理解至关重要。

二：启用中断

       并口可以触发中断。打印机利用这一功能通知打印机驱动程序，准备接受缓冲区中的下一个字符。

      与大多数设备一样，并口在不启用中断之前实际上不会产生中断；并口标准规定，设置端口 2 的第 4 位（0x37a、0x27a 或其他）可启用中断。在模块初始化时，short例子会通过outb来设置该位。 

       一旦启用中断，并口的第 10 针电信号（即所谓的 ACK 位）就会从低电平变为高电平时产生中断。强制接口产生中断的最简单方法（除非将打印机连接到端口）是将并行连接器的第 9 针和第 10 针连接在一起。

三：注册中断处理程序 

        如果你想真正 “看到 ”中断的产生，仅仅在硬件中启动中断是不够的，还必须在Linux系统中配置一个中断处理程序。如果没有被告知Linux 内核要待你的中断，那么它只会忽略它。

        在Linux系统中，中断线是一种宝贵且有限的资源，尤其是在只有 15 或 16 条中断线的情况下。内核保存着一个中断线注册表，类似于 I/O 端口注册表。模块在使用中断线（或 IRQ，表示中断请求）之前，应先请求该中断线，并在使用完毕后释放该中断线。在许多情况下，模块还需要与其他驱动程序共享中断线，在<linux/interrupt.h> 中声明了中断线注册函数，释放中断线函数：

int request_irq(unsigned int irq, 
                irqreturn_t (*handler)(int, void *, struct pt_regs *),
                unsigned long flags,
                const char *dev_name,
                void *dev_id);

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

         request_irq 函数的返回值值要么是 0（表示成功），要么是负（表示错误代码）。函数返回 -EBUSY 表示另一个驱动程序已经在使用请求的中断线，这种情况并不少见。函数的参数如下：

        unsigned int irq
        表示请求的中断(线)编号。
        irqreturn_t (*handler)(int, void *, struct pt_regs *)
        表示中断处理程序的函数指针。本章稍后将讨论该函数的参数及其返回值。
        unsigned long flags
        表示一个与中断管理相关的掩码（稍后描述）。
        const char *dev_name
         传递给 request_irq 的字符串, 用于在 /proc/interrupts 中显示中断的所有者（参见下一节）。
        void* dev_id
         表示共享中断线的指针。它是一个唯一标识符，在释放中断线时使用，也可被驱动程序用于指向其私有数据区（用于识别正在中断的设备）。如果中断不是共享的，dev_id 可以设置为 NULL，但无论如何，使用该项指向设备结构体是个好主意。我们将在后面一节中看到 dev_id 的实际用途。

        标志位（flags）可设置的位数如下：

        SA_INTERRUPT
        表示 “快速 ”中断处理程序。快速处理程序是在当前处理器禁用中断的情况下执行的（“快速和慢速处理程序 ”一节将介绍该主题）。
        SA_SHIRQ
        表示中断可在设备间共享。共享的概念在 “中断共享 ”一节中概述。
        SA_SAMPLE_RANDOM
        该位表示生成的中断可以为 /dev/random 和 /dev/urandom 使用的熵池作出贡献。这些设备在读取时会返回真正的随机数，旨在帮助应用软件选择安全的加密密钥。这些随机数是从由各种随机事件贡献的熵池中提取的。如果设备在真正随机的时间产生中断，则应设置此标志。相反，如果您的中断是可预测的（例如，帧捕捉器的垂直消隐），则不值得设置该标记--反正它也不会对系统熵做出贡献。可能受攻击者影响的设备不应设置此标记；例如，网络驱动程序可能会受到来自外部的可预测数据包定时的影响，因此不应为熵池做出贡献。更多信息，请参阅 drivers/char/random.c 中的注释。

       中断处理程序可以在驱动程序初始化时安装，也可以在设备首次打开时安装。虽然在模块的初始化函数中安装中断处理程序听起来是个好主意，但通常并非如此，尤其是在设备不共享中断的情况下。因为中断线路的数量是有限的，所以不能浪费它们。电脑中的设备数量很容易超过中断数量。如果一个模块在初始化时请求一个 IRQ，它将阻止任何其他驱动程序使用该中断，即使持有该中断的设备从未被使用过。如果在设备打开时请求中断，则可以共享中断线。

       调用 request_irq 的正确位置是设备首次打开时，即在设备产生中断之前。调用 free_irq 的位置是设备最后一次关闭时，即设备被告知不再产生中断之后。这种技术的缺点是需要保持每个设备的打开次数，以便知道何时可以禁用中断。

        尽管进行了上述讨论，但 short 示例还是在加载时请求中断。因此，short 在其初始化函数（short_init）中请求中断，而不是像真正的驱动程序那样在 short_open 中请求中断。

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 { /* actually enable it -- assume this *is* a parallel port */
        outb(0x10,short_base+2);
    }
}

         值得一提的是，i386 和 x86_64 体系结构定义了一个查询中断线是否可用的函数：

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

        如果中断的尝试分配成功，该函数将返回一个非零值。

四：自动检测中断(线)号

        对于驱动程序来说&#x