Linux內核開發之中斷與時鐘(一)

　　“小王，醒醒，開始上課了，今天咱們開始講中斷，這可是高級東西，錯過不補哈”我使勁推著睡夢中的小王。

　　“嗯?感情好啊，快點，快點”小王一聽有新東西講，像打了雞血似的興奮，連我都懷疑起她是不是性格中喜新厭舊。

　　不管那么多了，我講我的，她厭她的…

　　啥叫中斷?就是指cpu在執行過程中，出現了某些突發事件時CPU必須暫停執行當前的程序，轉去處理突發事件，處理完畢后CPU有返回原程序被中斷的位置并繼續執行。

　　中斷的分法不懂，分類就不同，向什么內外部中斷，可/不可屏蔽中斷…等等亂七八糟一大堆，我這里要說明的一點是按照中斷入口跳轉方法的不同，可分為向量中斷和非向量中斷。采用向量中斷的CPU通常為不同的中斷分配不同的中斷號，當檢測到某中斷號的中斷到來后，就自動跳轉到與該中斷號對應的地址執行。不同的中斷號有不同的中斷地址(即入口)。而非向量中斷的多個中斷共享一個入口地址。進入后根據軟件判斷中斷標志來識別具體是哪個中斷。也就是說，向量中斷是由硬件提供中斷服務程序入口地址，非向量中斷由軟件提供中斷服務程序入口地址。

　　我們在后邊會說到一個時鐘定時器，它也是通過中斷來實現的。它的原理很簡單，嵌入式微處理器它接入一個時鐘輸入，當時鐘脈沖到來時，就將目前的計數器值加1并和預先設置的計數值比較，若相等，證明計數周期滿，產生定時器中斷并復位目前計數器值。

　　Linux中斷處理架構

　　設備的中斷會打斷內核中進程的正常調度和運行，會影響系統的性能。為了在中斷執行時間盡可能短和中斷處理需完成大量工作之間找到一個平衡點，Linux將中斷處理程序分解成兩個半部：頂半部和底半部。其中頂半部盡可能完成盡可能少的比較緊急的功能。而底半部幾乎做了中斷處理程序所有的事情，而且可以被新的中斷打斷。

　　在linux設備驅動中，提供了一系列函數來幫助設備實現中斷的相關操作：

　　1)設備申請中斷

　　int request_irq(unsigned int irq, //irq是要申請的中斷號

　　void (*handler)(int irq, void *dev_id, struct pt_regs * *regs),//回調函數，中斷發生時，系統會調用該函數，

　　unsigned long irqflags,

　　const char *devname,

　　void *dev_id);

　　其中irqflags是中斷處理的屬性，若設置為SA_INTERRUPT,則表示中斷處理程序是快速處理程序，它被調用時屏蔽所有中斷。若設置為SA_SHIRQ,則表示多個設備共享中斷，dev_id在中斷共享時會用到，一般設置為這個設備的設備結構體或者NULL.

　　該函數返回0表示成功，返回-INVAL表示中斷號無效或處理函數指針為NULL,返回EBUSY表示中斷已經被占用且不能共享。

　　2)釋放中斷

　　free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);

　　3)使能和屏蔽中斷

　　void disable_irq(int irq); //這個會立即返回

　　void disable_irq_nosync(int irq);//等待目前的中斷處理完成再返回。

　　void enable_irq(int irq);

　　上述三個函數作用于可編程中斷處理器，因此對系統內所有的CPU都生效。

　　void local_irq_save(unsigned long flags);//會將目前的中斷狀態保留在flags中

　　void local_irq_disable(void);//直接中斷

　　這兩個將屏蔽本CPU內的所有中斷。對應的上邊兩個中斷的方法如下

　　void local_irq_restore(unsigned long flags);

　　void local_irq_enable(void);

　　我們兩邊說了Linux系統中中斷是分為頂半部和底半部的，那么在系統實現方面是具體怎樣實現的呢，這主要有tasklet，工作隊列，軟中斷：

　　1)tasklet：使用比較簡單，如下：

　　void my_tasklet_function(unsigned long); //定義一個處理函數

　　DECLARE_TASKLET(my_tasklet, my_tasklet_function, data); //定義了一個名叫my_tasklet的tasklet并將其與處理函數綁定，而傳入參數為data

　　在需要調度tasklet的時候引用一個tasklet_schedule()函數就能使系統在適當的時候進行調度運行：tasklet_schedule(&my_tasklet);

　　2)工作隊列：使用方法和tasklet相似，如下：

　　struct work_struct my_wq; //定義一個工作隊列

　　void my_wq_func(unsigned long); //定義一個處理函數

　　通過INIT_WORK()可以初始化這個工作隊列并將工作隊列與處理函數綁定，如下：

　　INIT_WORK(&my_wq, (void (*)(void *))my_wq_func, NULL); //初始化工作隊列并將其與處理函數綁定

　　同樣，使用schedule_work(&my_irq);來在系統在適當的時候需要調度時使用運行。

　　3)軟中斷：使用軟件方式模擬硬件中斷的概念，實現宏觀上的異步執行效果，tasklet也是基于軟中斷實現的。

　　在Linux內核中，用softirq_action結構體表征一個軟中斷，這個結構體中包含軟中斷處理函數指針和傳遞給函數的參數，使用open_softirq()可以注冊軟中斷對應的處理函數，而raise_softirq()函數可以觸發一個中斷。

　　軟中斷和tasklet仍然運行與中斷上下文，而工作隊列則運行于進程上下文。因此，軟中斷和tasklet的處理函數不能休眠，但工作隊列是可以的。

　　local_bh_disable()和local_bh_enable()是內核用于禁止和使能軟中斷和tasklet底半部機制的函數。

　　下邊咱們再來說說有關中斷共享的相關點：中斷共享即是多個設備共享一根硬件中斷線的情況。Linux2.6內核支持中斷共享，使用方法如下：

　　*共享中斷的多個設備在申請中斷時都應該使用SA_SHIRQ標志，而且一個設備以SA_SHIRQ申請某中斷成功的前提是之前該中斷的所有設備也都以SA_SHIRQ標志申請該終端

　　*盡管內核模塊可訪問的全局地址都可以作為request_irq(….,void *dev_id)的最后一個參數dev_id,但是設備結構體指針是可傳入的最佳參數。

　　*在中斷帶來時，所有共享此中斷的中斷處理程序都會被執行，在中斷處理程序頂半部中，應迅速根據硬件寄存器中的信息比照傳入的dev_id參數判斷是否是被設備的中斷，如果不是，應迅速返回。

　　結語：在這次講解中說了三種Linux系統中中斷的頂/底半部機制和中斷共享的先關內容，但礙于頁面空間的原因，沒有給出例子，我在下次博客中會專門來對每個點給出典型的模版.