Linux设备驱动的中断处理

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Linux设备驱动中，中断处理非常重要，尤其是在嵌入式系统中，无时无刻不在与中断打交道，因此，中断处理必须要牢牢掌握。

设备在产生某个事件时通知处理器的方法就是中断。中断就是一个信号，当硬件需要通知CPU你该处理我的数据或状态时，就会发出这个信号，而处理器如果发现驱动注册了该中断信号，就会保存现场，执行中断处理程序，然后再恢复现场。中断处理程序和其他代码是并行的，因此必须考虑竞态问题。

1.注册中断

内核维护了一个中断信号线的注册表，驱动模块在使用中断前要先请求一个中断通道(或者 IRQ中断请求)，并在使用后释放它。

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);

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。

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*/

快速中断和慢中断
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（其他处理器仍然可以响应中断）。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。这个在嵌入式系统中或许用的比较多。

 /proc/interrupts：记录了中断信息统计
/proc/stat：记录了系统活动的底层统计信息

2.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 2 种方法来进行探测中断: 调用内核定义的辅助函数和DIY探测。
（1）调用内核定义的辅助函数

unsigned long probe_irq_on(void); /*这个函数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, 并在后面传递给 probe_irq_off。在调用probe_irq_on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); /*在请求设备产生一个中断后, 驱动调用这个函数, 并将 probe_irq_on 返回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，probe_irq_off 返回一个负值*/

（2）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。

3.实现中断处理例程

中断处理例程唯一的特别之处在中断时运行，它能做的事情受到了一些限制：
（1）中断处理例程不能与用户空间传递数据, 因为它不在进程上下文执行；
（2）中断处理例程也不能做任何可能休眠的事情, 例如调用 wait_event, 使用除 GFP_ATOMIC 之外任何东西来分配内存, 或者锁住一个信号量；
（3）处理者不能调用schedule()。

4.禁用中断

（1）禁用单个中断

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);

（2）禁用全部中断

void local_irq_save(unsigned long 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

void local_irq_restore(unsigned long flags); /*打开中断使用*/
void local_irq_enable(void);

在 2.6 内核, 没有方法全局禁用整个系统上的所有中断

5.中断顶半部和底半部

中断处理需要很快完成，可通过将中断处理分为两部分来解决这个问题：
（1）顶半部，立即执行，实际响应中断的例程（request_irq 注册的那个例程）
（2）底版本，被顶半部调度，并在稍后更安全的时间内执行的函数
Linux 内核有 2 个不同的机制可用来实现底半部处理：
（1）tasklet （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，执行在进程上下文中，但不允许与用户空间进行数据拷贝。

6.中断共享

Linux 内核支持在所有总线上中断共享，Linux大部分中断都是可以共享的。
在通过request_irq 安装处理例程时候，有些不同：
（1）当request_irq 时，flags 中必须指定SA_SHIRQ 位；
（2）dev_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。
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_irq 或 disable_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，因为这个中断可能不是你一个驱动模块在关注。

7.中断驱动的 IO

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。
输入：当新数据到达时并且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。

参考：
https://blog.csdn.net/tigerly/article/details/22874091

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原文地址：https://blog.51cto.com/14207158/2524616