LDD3读书笔记----中断处理
一个中断不过是一个硬件在它需要处理器的注意时能够发出的信号. Linux 处理中断非常类似它处理用户空间信号的方式. 对大部分来说, 一个驱动只需要为它的设备中断注册一个处理函数, 并且当它们到来时正确处理它们.
中断注册
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);
从 request_irq 返回给请求函数的返回值或者是 0 指示成功, 或者是一个负的错误码, 如同平常. 函数返回 -EBUSY 来指示另一个驱动已经使用请求的中断线是不寻常的.
函数的参数如下:
unsigned int irq 请求的中断号
irqreturn_t (*handler) 安装的处理函数指针. 我们在本章后面讨论给这个函数的参数以及它的返回值.
unsigned long flags 如你会希望的, 一个与中断管理相关的选项的位掩码(后面描述).
const char *dev_name 这个传递给 request_irq 的字串用在 /proc/interrupts 来显示中断的拥有者
void *dev_id 用作共享中断线的指针. 它是一个独特的标识, 用在当释放中断线时以及可能还被驱动用来指向它自己的私有数据区(来标识哪个设备在中断). 如果中断没有被共享, dev_id 可以设置为 NULL, 但是使用这个项指向设备结构不管如何是个好主意.
flags 中可以设置的位如下:
SA_INTERRUPT
当置位了, 这表示一个"快速"中断处理. 快速处理在当前处理器上禁止中断来执行
SA_SHIRQ
这个位表示中断可以在设备间共享.
SA_SAMPLE_RANDOM
这个位表示产生的中断能够有贡献给 /dev/random 和 /dev/urandom 使用的加密池. 这些设备在读取时返回真正的随机数并且设计来帮助应用程序软件为加密选择安全钥. 这样的随机数从一个由各种随机事件贡献的加密池中提取的. 如果你的设备以真正随机的时间产生中断, 你应当设置这个标志. 如果, 另一方面, 你的中断是可预测的( 例如, 一个帧抓取器的场消隐), 这个标志不值得设置 -- 它无论如何不会对系统加密有贡献. 可能被攻击者影响的设备不应当设置这个标志; 例如, 网络驱动易遭受从外部计时的可预测报文并且不应当对加密池有贡献. 更多信息看 drivers/char/random.c 的注释.
中断处理可以在驱动初始化时安装或者在设备第一次打开时.尽管从模块的初始化函数中安装中断处理可能听来是个好主意, 它常常不是, 特别当你的设备不共享中断. 因为中断线数目是有限的, 你不想浪费它们. 你可以轻易使你的系统中设备数多于中断数.如果一个模块在初始化时请求一个 IRQ, 它阻止了任何其他的驱动使用这个中断, 甚至这个持有它的设备从不被使用. 在设备打开时请求中断, 另一方面, 允许某些共享资源.
调用 request_irq 的正确位置是当设备第一次打开时, 在硬件被指示来产生中断前. 调用 free_irq 的位置是设备最后一次被关闭时, 在硬件被告知不要再中断处理器之后. 这个技术的缺点是你需要保持一个每设备的打开计数, 以便于你知道什么时候中断可以被禁止.
/proc 接口
报告的中断显示在 /proc/interrupts. /proc/interrupts 的显示展示了有多少中断硬件递交给系统中的每个 CPU./proc 树包含另一个中断有关的文件, /proc/stat
内核协助的中断探测
Linux 内核提供了一个低级设施来探测中断号. 它只为非共享中断, 但是大部分能够在共享中断状态工作的硬件提供了更好的方法来尽量发现配置的中断号.这个设施包括 2 个函数, 在
- unsigned long probe_irq_on(void);
-
这个函数返回一个未安排的中断的位掩码. 驱动必须保留返回的位掩码, 并且在后面传递给 probe_irq_off. 在这个调用之后, 驱动应当安排它的设备产生至少一次中断.
int probe_irq_off(unsigned long);
-
在设备已请求一个中断后, 驱动调用这个函数, 作为参数传递之前由 probe_irq_on 返回的位掩码. probe_irq_off 返回在"probe_on"之后发出的中断号. 如果没有中断发生, 返回 0 (因此, IRQ 0 不能探测, 但是没有用户设备能够在任何支持的体系上使用它). 如果多于一个中断发生( 模糊的探测 ), probe_irq_off 返回一个负值.
程序员应当小心使能设备上的中断, 在调用 probe_irq_on 之后以及在调用 probe_irq_off 后禁止它们. 另外, 你必须记住服务你的设备中挂起的中断, 在 probe_irq_off 之后.
快速和慢速处理
在现代内核中, 快速和慢速中断的大部分不同已经消失. 剩下的仅仅是一个: 快速中断(那些使用 SA_INTERRUPT 被请求的)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, 尽管你从不会看到 2 个处理器同时处理同一个 IRQ.
这样, 你的驱动应当使用哪个类型的中断? 在现代系统上, SA_INTERRUPT 只是打算用在几个, 特殊的情况例如时钟中断. 除非你有一个充足的理由来运行你的中断处理在禁止其他中断情况下, 你不应当使用 SA_INTERRUPT.
实现一个处理
至今, 我们已学习了注册一个中断处理, 但是没有编写一个. 实际上, 对于一个处理者, 没什么不寻常的 -- 它是普通的 C 代码.
唯一的特别之处是一个处理者在中断时运行, 因此, 它能做的事情遭受一些限制. 一个处理者不能传递数据到或者从用户空间, 因为它不在进程上下文执行. 处理者也不能做任何可能睡眠的事情, 例如调用 wait_event, 使用除 GFP_ATOMIC 之外任何东西来分配内存, 或者加锁一个旗标. 最后, 处理者不能调用调度.
处理者的参数和返回值
一个传递给一个中断处理的参数: irq, dev_id, 和 regs. 我们看一下每个的角色.
中断号( int irq )作为你可能在你的 log 消息中打印的信息是有用的, 如果有. 第二个参数, void *dev_id, 是一类客户数据; 一个 void* 参数传递给 request_irq, 并且同样的指针接着作为一个参数传回给处理者, 当中断发生时. 你常常传递一个指向你的在 dev_id 中的设备数据结构的指针, 因此一个管理相同设备的几个实例的驱动不需要任何额外的代码, 在中断处理中找出哪个设备要负责当前的中断事件.
最后一个参数, struct pt_regs *regs, 很少用到. 它持有一个处理器的上下文在进入中断状态前的快照. 寄存器可用来监视和调试; 对于常规地设备驱动任务, 正常地不需要它们.
中断处理应当返回一个值指示是否真正有一个中断要处理. 如果处理者发现它的设备确实需要注意, 它应当返回 IRQ_HANDLED; 否则返回值应当是 IRQ_NONE. 你也可产生返回值, 使用这个宏:
IRQ_RETVAL(handled)
这里, handled 是非零, 如果你能够处理中断. 内核用返回值来检测和抑制假中断. 如果你的设备没有给你方法来告知是否它确实中断, 你应当返回 IRQ_HANDLED.
使能和禁止中断
禁止单个中断
内核提供了 3 个函数为此目的, 所有都声明在
void disable_irq(int irq);
void disable_irq_nosync(int irq);
void enable_irq(int irq);
disable_irq 不仅禁止给定的中断, 还等待一个当前执行的中断处理结束, 如果有. 要知道如果调用 disable_irq 的线程持有中断处理需要的任何资源(例如自旋锁), 系统可能死锁. disable_irq_nosync 与 disable_irq 不同, 它立刻返回. 因此, 使用disable_irq_nosync 快一点, 但是可能使你的设备有竞争情况.
禁止所有中断
在 2.6 内核, 可能关闭在当前处理器上所有中断处理, 使用任一个下面 2 个函数(定义在
void local_irq_save(unsigned long flags);
void local_irq_disable(void);
一个对 local_irq_save 的调用在当前处理器上禁止中断递交, 在保存当前中断状态到 flags 之后. 注意, flags 是直接传递, 不是通过指针. local_irq_disable 关闭本地中断递交而不保存状态; 你应当使用这个版本只在你知道中断没有在别处被禁止.
完成打开中断, 使用:
void local_irq_restore(unsigned long flags);
void local_irq_enable(void);
第一个版本恢复由 local_irq_save 存储于 flags 的状态, 而 local_irq_enable 无条件打开中断. 不象 disable_irq, local_irq_disable 不跟踪多次调用. 如果调用链中有多于一个函数可能需要禁止中断, 应该使用 local_irq_save.
在 2.6 内核, 没有方法全局性地跨整个系统禁止所有的中断. 内核开发者决定, 关闭所有中断的开销太高, 并且在任何情况下没有必要有这个能力. 如果你在使用一个旧版本驱动, 它调用诸如 cli 和 sti, 你需要在它在 2.6 下工作前更新它为使用正确的加锁
前和后半部
中断处理的一个主要问题是如何在处理中进行长时间的任务. 常常大量的工作必须响应一个设备中断来完成, 但是中断处理需要很快完成并且不使中断阻塞太长.
Linux (许多其他系统一起)解决这个问题通过将中断处理分为 2 半. 所谓的前半部是实际响应中断的函数 -- 你使用 request_irq 注册的那个. 后半部是由前半部调度来延后执行的函数, 在一个更安全的时间. 最大的不同在前半部处理和后半部之间是所有的中断在后半部执行时都使能 -- 这就是为什么它在一个更安全时间运行. 在典型的场景中, 前半部保存设备数据到一个设备特定的缓存, 调度它的后半部, 并且退出: 这个操作非常快. 后半部接着进行任何其他需要的工作, 例如唤醒进程, 启动另一个 I/O 操作, 等等. 这种设置允许前半部来服务一个新中断而同时后半部仍然在工作.
Linux 内核有 2 个不同的机制可用来实现后半部处理, tasklet 常常是后半部处理的首选机制; 它们非常快, 但是所有的 tasklet 代码必须是原子的. tasklet 的可选项是工作队列, 它可能有一个更高的运行周期但是允许睡眠.
记住 tasklet 是一个特殊的函数, 可能被调度来运行, 在软中断上下文, 在一个系统决定的安全时间中. 它们可能被调度运行多次, 但是 tasklet 调度不累积， tasklet 只运行一次, 即便它在被投放前被重复请求. 没有 tasklet 会和它自己并行运行, 因为它只运行一次, 但是 tasklet 可以与 SMP 系统上的其他 tasklet 并行运行. 因此, 如果你的驱动有多个 tasklet, 它们必须采取某类加锁来避免彼此冲突.tasklet 也保证作为函数运行在第一个调度它们的同一个 CPU 上. 因此, 一个中断处理可以确保一个 tasklet 在处理者结束前不会开始执行. 但是, 另一个中断当然可能在 tasklet 在运行时被递交, 因此, tasklet 和中断处理之间加锁可能仍然需要.
tasklet 必须使用 DECLARE_TASKLET 宏来声明:
DECLARE_TASKLET(name, function, data);
name 是给 tasklet 的名子, function 是调用来执行 tasklet (它带一个 unsigned long 参数并且返回 void )的函数, 以及 data 是一个 unsigned long 值来传递给 tasklet 函数.
函数 tasklet_schedule 用来调度一个 tasklet 运行.
工作队列
工作队列在将来某个时候调用一个函数, 在一个特殊工作者进程的上下文中. 因为这个工作队列函数在进程上下文运行, 它在需要时能够睡眠.工作者进程不存取任何其他进程的地址空间.
中断共享
安装一个共享的处理者
共享中断通过 request_irq 来安装就像不共享的一样, 但是有 2 个不同:
- SA_SHIRQ 位必须在 flags 参数中指定, 当请求中断时.
-
dev_id 参数必须是独特的. 任何模块地址空间的指针都行, 但是 dev_id 明确地不能设置为 NULL.
内核保持着一个与中断相关联的共享处理者列表, 并且 dev_id 可认为是区别它们的签名.
当请求一个共享的中断, request_irq 成功, 如果下列之一是真:-
中断线空闲.
-
所有这条线的已经注册的处理者也指定共享这个 IRQ.
无论何时 2 个或多个驱动在共享中断线, 并且硬件中断在这条线上中断处理器, 内核为这个中断调用每个注册的处理者, 传递它的 dev_id 给每个. 因此, 一个共享的处理者必须能够识别它自己的中断并且应当快速退出当它自己的设备没有被中断时. 确认返回 IRQ_NONE 无论何时你的处理者被调用并且发现设备没被中断.
释放处理者以正常方式进行, 使用 free_irq. 这里 dev_id 参数用来从这个中断的共享处理者列表中选择正确的处理者来释放. 这就是为什么 dev_id 指针必须是独特的.
一个使用共享处理者的驱动需要小心多一件事: 它不能使用 enable_irq 或者 disable_irq. 如果它用了, 对其他共享这条线的设备就乱了; 禁止另一个设备的中断即便短时间也可能产生延时, 这对这个设备和它的用户是有问题的. 通常, 程序员必须记住, 他的驱动不拥有这个 IRQ, 并且它的行为应当比它拥有这个中断线更加"社会性".
/proc 接口和共享中断
在系统中安装共享处理者不影响 /proc/stat, 它甚至不知道处理者. 但是, /proc/interrupts 稍稍变化.所有同一个中断号的安装的处理者出现在 /proc/interrupts 的同一行.
总结
本章中介绍了这些关于中断管理的符号:
#include
int request_irq(unsigned int irq, irqreturn_t (*handler)( ), unsigned long flags, const char *dev_name, void *dev_id);
void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);
调用这个注册和注销一个中断处理.
#include
int can_request_irq(unsigned int irq, unsigned long flags);
这个函数, 在 i386 和 x86_64 体系上有, 返回一个非零值如果一个分配给定中断线的企图成功.
#include
SA_INTERRUPT
SA_SHIRQ
SA_SAMPLE_RANDOM
给 request_irq 的标志. SA_INTERRUPT 请求安装一个快速处理者( 相反是一个慢速的). SA_SHIRQ 安装一个共享的处理者, 并且第 3 个 flag 声称中断时戳可用来产生系统熵.
/proc/interrupts
/proc/stat
报告硬件中断和安装的处理者的文件系统节点.
unsigned long probe_irq_on(void);
int probe_irq_off(unsigned long);
驱动使用的函数, 当它不得不探测来决定哪个中断线被设备在使用. probe_irq_on 的结果必须传回给 probe_irq_off 在中断产生之后. probe_irq_off 的返回值是被探测的中断号.
IRQ_NONE
IRQ_HANDLED
IRQ_RETVAL(int x)
从一个中断处理返回的可能值, 指示是否一个来自设备的真正的中断出现了.
void disable_irq(int irq);
void disable_irq_nosync(int irq);
void enable_irq(int irq);
驱动可以使能和禁止中断报告. 如果硬件试图在中断禁止时产生一个中断, 这个中断永远丢失了. 一个使用一个共享处理者的驱动必须不使用这个函数.
void local_irq_save(unsigned long flags);
void local_irq_restore(unsigned long flags);
使用 local_irq_save 来禁止本地处理器的中断并且记住它们之前的状态. flags 可以被传递给 local_irq_restore 来恢复之前的中断状态.
void local_irq_disable(void);
void local_irq_enable(void);
在当前处理器熵无条件禁止和使能中断的函数.
set_irq_type() -- 设置中断触发类型/方式
/**
* set_irq_type - set the irq type for an irq
* @irq: irq number
* @type: interrupt type - see include/linux/interrupt.h
*/
int set_irq_type(unsigned int irq, unsigned int type)
linux-2.6.21.7/include/linux/interrupt.h
------------------------------------------------
#define IRQF_TRIGGER_NONE 0x00000000
#define IRQF_TRIGGER_RISING 0x00000001 /* 上升沿触发中断 */
#define IRQF_TRIGGER_FALLING 0x00000002
#define IRQF_TRIGGER_HIGH 0x00000004
#define IRQF_TRIGGER_LOW 0x00000008
#define IRQF_TRIGGER_MASK (IRQF_TRIGGER_HIGH | IRQF_TRIGGER_LOW | \
IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING)
#define IRQF_TRIGGER_PROBE 0x00000010