Linux中断（interrupt）子系统之四：驱动程序接口层 & 中断通用逻辑层
在本系列文章的第一篇：Linux中断（interrupt）子系统之一：中断系统基本原理，我把通用中断子系统分为了4个层次，其中的驱动程序接口层和中断通用逻辑层的界限实际上不是很明确，因为中断通用逻辑层的很多接口，既可以被驱动程序使用，也可以被硬件封装层使用，所以我把这两部分的内容放在一起进行讨论。
本章我将会讨论这两层对外提供的标准接口和内部实现机制，几乎所有的接口都是围绕着irq_desc和irq_chip这两个结构体进行的，对这两个结构体不熟悉的读者可以现读一下前面几篇文章。
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1. irq的打开和关闭
中断子系统为我们提供了一系列用于irq的打开和关闭的函数接口，其中最基本的一对是：
- disable_irq(unsigned int irq);
- enable_irq(unsigned int irq);
图1.1 disable_irq的调用过程
函数的开始使用异步方式的内部函数__disable_irq_nosync()，所谓异步方式就是不理会当前该irq是否正在被处理（有handler在运行或者有中断线程尚未结束）。有些中断控制器可能挂在某个慢速的总线上，所以在进一步处理前，先通过irq_get_desc_buslock获得总线锁（最终会调用chip->irq_bus_lock），然后进入内部函数__disable_irq：
void __disable_irq(struct irq_desc *desc, unsigned int irq, bool suspend)
{
if (suspend) {
if (!desc->action || (desc->action->flags & IRQF_NO_SUSPEND))
return;
desc->istate |= IRQS_SUSPENDED;
}
if (!desc->depth++)
irq_disable(desc);
}disable_irq的最后，调用了synchronize_irq，该函数通过IRQ_INPROGRESS标志，确保action链表中所有的handler都已经处理完毕，然后还要通过wait_event等待该irq所有的中断线程退出。正因为这样，在中断上下文中，不应该使用该API来关闭irq，同时要确保调用该API的函数不能拥有该irq处理函数或线程的资源，否则就会发生死锁！！如果一定要在这两种情况下关闭irq，中断子系统为我们提供了另外一个API，它不会做出任何等待动作：
- disable_irq_nosync()；
- enable_irq()；
void __enable_irq(struct irq_desc *desc, unsigned int irq, bool resume)
{
if (resume) {
......
}
switch (desc->depth) {
case 0:
err_out:
WARN(1, KERN_WARNING "Unbalanced enable for IRQ %d\n", irq);
break;
case 1: {
......
irq_enable(desc);
......
}
default:
desc->depth--;
}
}2. 中断子系统内部数据结构访问接口
我们知道，中断子系统内部定义了几个重要的数据结构，例如：irq_desc，irq_chip，irq_data等等，这些数据结构的各个字段控制或影响着中断子系统和各个irq的行为和实现方式。通常，驱动程序不应该直接访问这些数据结构，直接访问会破会中断子系统的封装性，为此，中断子系统为我们提供了一系列的访问接口函数，用于访问这些数据结构。
存取irq_data结构相关字段的API：
irq_set_chip(irq, *chip) / irq_get_chip(irq) 通过irq编号，设置、获取irq_cip结构指针；
irq_set_handler_data(irq, *data) / irq_get_handler_data(irq) 通过irq编号，设置、获取irq_desc.irq_data.handler_data字段，该字段是每个irq的私有数据，通常用于硬件封装层，例如中断控制器级联时，父irq用该字段保存子irq的起始编号。
irq_set_chip_data(irq, *data) / irq_get_chip_data(irq) 通过irq编号，设置、获取irq_desc.irq_data.chip_data字段，该字段是每个中断控制器的私有数据，通常用于硬件封装层。
irq_set_irq_type(irq, type) 用于设置中断的电气类型，可选的类型有：
- IRQ_TYPE_EDGE_RISING
- IRQ_TYPE_EDGE_FALLING
- IRQ_TYPE_EDGE_BOTH
- IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH
- IRQ_TYPE_LEVEL_LOW
irq_get_irq_data(irq) 通过irq编号，获取irq_data结构指针；
irq_data_get_irq_chip(irq_data *d) 通过irq_data指针，获取irq_chip字段；
irq_data_get_irq_chip_data(irq_data *d) 通过irq_data指针，获取chip_data字段；
irq_data_get_irq_handler_data(irq_data *d) 通过irq_data指针，获取handler_data字段；
设置中断流控处理回调API：
irq_set_handler(irq, handle) 设置中断流控回调字段：irq_desc.handle_irq，参数handle的类型是irq_flow_handler_t。
irq_set_chip_and_handler(irq, *chip, handle) 同时设置中断流控回调字段和irq_chip指针：irq_desc.handle_irq和irq_desc.irq_data.chip。
irq_set_chip_and_handler_name(irq, *chip, handle, *name) 同时设置中断流控回调字段和irq_chip指针以及irq名字：irq_desc.handle_irq、irq_desc.irq_data.chip、irq_desc.name。
irq_set_chained_handler(irq, *chip, handle) 设置中断流控回调字段：irq_desc.handle_irq，同时设置标志：IRQ_NOREQUEST、IRQ_NOPROBE、IRQ_NOTHREAD，该api通常用于中断控制器的级联，父控制器通过该api设置流控回调后，同时设置上述三个标志位，使得父控制器的中断线不允许被驱动程序申请。
3. 在驱动程序中申请中断
系统启动阶段，中断子系统完成了必要的初始化工作，为驱动程序申请中断服务做好了准备，通常，我们用一下API申请中断服务：
request_threaded_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,
irq_handler_t thread_fn,
unsigned long flags, const char *name, void *dev);handler 中断服务回调函数，该回调运行在中断上下文中，并且cpu的本地中断处于关闭状态，所以该回调函数应该只是执行需要快速响应的操作，执行时间应该尽可能短小，耗时的工作最好留给下面的thread_fn回调处理。
thread_fn 如果该参数不为NULL，内核会为该irq创建一个内核线程，当中断发生时，如果handler回调返回值是IRQ_WAKE_THREAD，内核将会激活中断线程，在中断线程中，该回调函数将被调用，所以，该回调函数运行在进程上下文中，允许进行阻塞操作。
flags 控制中断行为的位标志，IRQF_XXXX，例如：IRQF_TRIGGER_RISING，IRQF_TRIGGER_LOW，IRQF_SHARED等，在include/linux/interrupt.h中定义。
name 申请本中断服务的设备名称，同时也作为中断线程的名称，该名称可以在/proc/interrupts文件中显示。
dev 当多个设备的中断线共享同一个irq时，它会作为handler的参数，用于区分不同的设备。
下面我们分析一下request_threaded_irq的工作流程。函数先是根据irq编号取出对应的irq_desc实例的指针，然后分配了一个irqaction结构，用参数handler，thread_fn，irqflags，devname，dev_id初始化irqaction结构的各字段，同时做了一些必要的条件判断：该irq是否禁止申请？handler和thread_fn不允许同时为NULL，最后把大部分工作委托给__setup_irq函数：
desc = irq_to_desc(irq);
if (!desc)
return -EINVAL;
if (!irq_settings_can_request(desc) ||
WARN_ON(irq_settings_is_per_cpu_devid(desc)))
return -EINVAL;
if (!handler) {
if (!thread_fn)
return -EINVAL;
handler = irq_default_primary_handler;
}
action = kzalloc(sizeof(struct irqaction), GFP_KERNEL);
if (!action)
return -ENOMEM;
action->handler = handler;
action->thread_fn = thread_fn;
action->flags = irqflags;
action->name = devname;
action->dev_id = dev_id;
chip_bus_lock(desc);
retval = __setup_irq(irq, desc, action);
chip_bus_sync_unlock(desc); if (new->thread_fn && !nested) {
struct task_struct *t;
t = kthread_create(irq_thread, new, "irq/%d-%s", irq,
new->name);
if (IS_ERR(t)) {
ret = PTR_ERR(t);
goto out_mput;
}
/*
* We keep the reference to the task struct even if
* the thread dies to avoid that the interrupt code
* references an already freed task_struct.
*/
get_task_struct(t);
new->thread = t;
}- 一定要设置了IRQF_SHARED标志
- 电气触发方式要完全一样（IRQF_TRIGGER_XXXX）
- IRQF_PERCPU要一致
- IRQF_ONESHOT要一致
/* add new interrupt at end of irq queue */
do {
thread_mask |= old->thread_mask;
old_ptr = &old->next;
old = *old_ptr;
} while (old);
shared = 1; if (irq_settings_can_autoenable(desc))
irq_startup(desc);
else
/* Undo nested disables: */
desc->depth = 1; /* Set default affinity mask once everything is setup */
setup_affinity(irq, desc, mask); new->irq = irq;
*old_ptr = new; if (new->thread)
wake_up_process(new->thread);
register_irq_proc(irq, desc);
new->dir = NULL;
register_handler_proc(irq, new);
图3.1 irq各个数据结构之间的关系
4. 动态扩展irq编号
- 配置了CONFIG_SPARSE_IRQ内核配置项，使用基数树动态管理irq_desc结构。
- 针对多功能复合设备，内部具备多个中断源，但中断触发引脚只有一个，为了实现驱动程序的跨平台，不希望这些中断源的irq被硬编码在板级代码中。
- irq_set_chip_and_handler_name
- irq_set_handler_data
- irq_set_chip_data
5. 多功能复合设备的中断处理
在移动设备系统中，存在着大量的多功能复合设备，最常见的是一个芯片中，内部集成了多个功能部件，或者是一个模块单元内部集成了功能部件，这些内部功能部件可以各自产生中断请求，但是芯片或者硬件模块对外只有一个中断请求引脚，我们可以使用多种方式处理这些设备的中断请求，以下我们逐一讨论这些方法。
5.1 单一中断模式
对于这种复合设备，通常设备中会提供某种方式，以便让CPU获取真正的中断来源， 方式可以是一个内部寄存器，gpio的状态等等。单一中断模式是指驱动程序只申请一个irq，然后在中断处理程序中通过读取设备的内部寄存器，获取中断源，然后根据不同的中断源做出不同的处理，以下是一个简化后的代码：
static int xxx_probe(device *dev)
{
......
irq = get_irq_from_dev(dev);
ret = request_threaded_irq(irq, NULL, xxx_irq_thread,
IRQF_TRIGGER_RISING,
"xxx_dev", NULL);
......
return 0;
}
static irqreturn_t xxx_irq_thread(int irq, void *data)
{
......
irq_src = read_device_irq();
switch (irq_src) {
case IRQ_SUB_DEV0:
ret = handle_sub_dev0_irq();
break;
case IRQ_SUB_DEV1:
ret = handle_sub_dev1_irq();
break;
......
default:
ret = IRQ_NONE;
break;
}
......
return ret;
}5.2 共享中断模式
共享中断模式充分利用了通用中断子系统的特性，经过前面的讨论，我们知道，irq对应的irq_desc结构中的action字段，本质上是一个链表，这给我们实现中断共享提供了必要的基础，只要我们以相同的irq编号多次申请中断服务，那么，action链表上就会有多个irqaction实例，当中断发生时，中断子系统会遍历action链表，逐个执行irqaction实例中的handler回调，根据handler回调的返回值不同，决定是否唤醒中断线程。需要注意到是，申请多个中断时，irq编号要保持一致，flag参数最好也能保持一致，并且都要设上IRQF_SHARED标志。在使用共享中断时，最好handler和thread_fn都要提供，在各自的中断处理回调handler中，做出以下处理：
- 判断中断是否来自本设备；
- 如果不是来自本设备：
- 直接返回IRQ_NONE；
- 如果是来自本设备：
- 关闭irq；
- 返回IRQ_WAKE_THREAD，唤醒中断线程，thread_fn将会被执行；
5.3 中断控制器级联模式
- 首先，父中断的irq编号可以从板级代码的预定义中获得，或者通过device的platform_data字段获得；
- 使用父中断的irq编号，利用irq_set_chained_handler函数修改父中断的流控函数；
- 使用父中断的irq编号，利用irq_set_handler_data设置流控函数的参数，该参数要能够用于判别子控制器的中断来源；
- 实现父中断的流控函数，其中只需获得并计算子设备的irq编号，然后调用generic_handle_irq即可；
- 为设备内的中断控制器实现一个irq_chip结构，实现其中必要的回调，例如irq_mask，irq_unmask，irq_ack等；
- 循环每一个子设备，做以下动作：
- 为每个子设备，使用irq_alloc_descs函数申请irq编号；
- 使用irq_set_chip_data设置必要的cookie数据；
- 使用irq_set_chip_and_handler设置子控制器的irq_chip实例和子irq的流控处理程序，通常使用标准的流控函数，例如handle_edge_irq；
- 子设备的驱动程序使用自身申请到的irq编号，按照正常流程申请中断服务即可。
5.4 中断线程嵌套模式
- 首先，父中断的irq编号可以从板级代码的预定义中获得，或者通过device的platform_data字段获得；
- 使用父中断的irq编号，利用request_threaded_irq函数申请中断服务，需要提供thread_fn参数和dev_id参数；
- dev_id参数要能够用于判别子控制器的中断来源；
- 实现父中断的thread_fn函数，其中只需获得并计算子设备的irq编号，然后调用handle_nested_irq即可；
- 为设备内的中断控制器实现一个irq_chip结构，实现其中必要的回调，例如irq_mask，irq_unmask，irq_ack等；
- 循环每一个子设备，做以下动作：
- 为每个子设备，使用irq_alloc_descs函数申请irq编号；
- 使用irq_set_chip_data设置必要的cookie数据；
- 使用irq_set_chip_and_handler设置子控制器的irq_chip实例和子irq的流控处理程序，通常使用标准的流控函数，例如handle_edge_irq；
- 使用irq_set_nested_thread函数，把子设备irq的线程嵌套特性打开；
- 子设备的驱动程序使用自身申请到的irq编号，按照正常流程申请中断服务即可。