Linux驱动开发之Linux内核中的中断处理与等待队列以及相关API和例程分析

中断的特点

Linux中的中断类型

中断的特点

快进快出:中断处理必须很快地完成,避免长时间阻塞正常任务。
随机发生:中断可能在任何时候发生,需要能够保存和恢复处理前的上下文。
高优先级:中断处理具有很高的优先级,可以打断正在运行的进程。
准确识别:需要正确区分不同的中断源,调用对应的服务程序。

Linux中的中断类型

Linux将中断分为以下三类:

PPI - 私有外设中断,特定的外设专用中断。
SPI - 共享外设中断,可以服务多个外设,数量有限。
SGI - 软件生成中断,通过编程的方式触发。

中断号唯一标识一个中断源,用于注册和处理中断。

中断的使用

在Linux中使用中断的一般流程是:

将GPIO引脚号转换为中断号。
注册中断服务函数。
使能中断号。
在中断服务函数中编写处理逻辑。
根据需要禁用或重新启用中断。
当不再需要时,取消中断号注册。

采用这种方式,可以很好地响应异步外部事件,提高系统实时性。

等待队列

由于中断具有异步性和随机性,有时需要利用等待队列使内核进入睡眠,等待某事件发生后再被唤醒继续执行。常用的等待队列相关函数有:

DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD()

功能定义等待队列的结构体
原型#define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) \wait_queue_head_tname = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name)
参数name:    等待队列的结构体的名字

wait_event_interruptible()

功能阻塞内核，直到满足指定的条件才解除阻塞
头文件#include <linux/sched.h>
原型#define wait_event_interruptible(wq,condition)                            \({                                                                            \int__ret = 0;                                                        \if(!(condition))                                                     \__wait_event_interruptible(wq,condition, __ret);        \__ret;                                                                    \})    
参数wq    等待队列的头condition    条件    0  休眠  1 唤醒
返回值无

wake_up_interruptible()

功能解除等待队列的阻塞，唤醒等待队列中的进程
头文件#include<linux/sched.h>
原型#define wake_up_interruptible(x) __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 1, NULL)
参数x    等待队列的结构体指针
返回值无

等待队列可以防止空轮询,减少CPU资源占用,是Linux内核编程中非常重要的机制。

中断相关例程

例程分析

该例程使用了中断来监控按键状态变化，通过定时器和等待队列在按键按下时解除阻塞并通知用户空间。同时，还提供了对应的文件操作函数供用户空间使用。

全局变量

dev_t mydev: 设备号。
struct cdev mycdev: 字符设备结构体。
struct file_operations myfops: 文件操作结构体。
struct class *myclass: 类结构体。
unsigned int irq_num[4], myirq: 中断号和当前中断号。
int cond: 条件变量，用于在读取函数中阻塞解除。

函数声明

myfunc: 中断服务函数，当中断触发时调用。
myopen, myclose, myread, mypoll: 对应打开、关闭、读取和轮询操作的函数。

myopen

将GPIO引脚转换为中断号。
使能中断号。
注册中断号并设置中断服务函数。
打印日志表示设备已打开。

myclose

取消中断的注册并禁用中断。

myread

读取GPIO引脚的状态，如果按键按下，则将按键号传递给用户空间。
当条件符合时解除阻塞并唤醒等待队列。

定时器函数 my_timer_fun

当定时器激活时，检查中断号，如果对应的按键按下，则设置条件变量为1，唤醒等待队列。

mypoll

使用poll系统调用进行轮询等待。
当条件满足时，返回POLLIN。

模块初始化和退出

mykey_init: 初始化函数，在模块加载时执行，包括设备号分配、字符设备注册、类结构体创建以及设备文件创建等操作。
mykey_exit: 退出函数，在模块卸载时执行，注销设备文件、类结构体，删除字符设备等操作。

源码分享

#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/irq.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/sched.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/jiffies.h>
#include <linux/poll.h>dev_t mydev;
struct cdev mycdev;
struct file_operations myfops;
struct class *myclass;
unsigned int irq_num[4], myirq;
int cond;
struct timer_list mytimer;//创建一个等待队列
DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(mywait);irqreturn_t myfunc(int num, void *args)
{myirq = num;//更新激活定时器mod_timer(&mytimer, jiffies + msecs_to_jiffies(15));return 0;
}int myopen (struct inode *inode, struct file *file)
{int ret, i;//gpio转中断号for(i = 2; i < 6; i++){irq_num[i - 2] = gpio_to_irq(EXYNOS4_GPX3(i));if(irq_num[i - 2] < 0){printk("中断号转换失败\n");return -1;}}//使能中断号for(i = 0; i < 4; i++){enable_irq(irq_num[i]);}//向内核注册一个中断号for(i = 0; i < 4; i++){ret = request_irq(irq_num[i], myfunc, IRQF_TRIGGER_FALLING, "keytest", NULL);if(ret < 0){printk("中断号注册失败\n");return -1;}}printk("open执行完毕\n");return 0;
}int myclose (struct inode *inode, struct file *file)
{int i;//取消中断的注册for(i = 0; i < 4; i++){free_irq(irq_num[i], NULL);disable_irq(irq_num[i]);}return 0;
}ssize_t myread (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *loff)
{int value, ret, i;
//	wait_event_interruptible(mywait, cond);printk("阻塞解除\n");for(i = 2; i < 6; i++){value = gpio_get_value(EXYNOS4_GPX3(i));if(value == 0){i = i - 1;ret = copy_to_user(buf, &i, 4);break;}}cond = 0;return 0;
}//定时器回调函数
void my_timer_fun(unsigned long data){int i;for(i = 0; i < 4; i++){if(myirq == irq_num[i]){if(gpio_get_value(EXYNOS4_GPX3(i + 2)) == 0){printk("按键 %d 按下\n", i + 1);cond = 1;wake_up_interruptible(&mywait);break;}}}
}//poll轮询函数
unsigned int mypoll (struct file *file, struct poll_table_struct *p){poll_wait(file, &mywait, p);if(cond == 1){cond = 0;return POLLIN;}return 0;
}static int __init mykey_init(void)
{//初始化定时器mytimer.expires  = jiffies + 2 * HZ;mytimer.function = my_timer_fun;init_timer(&mytimer);//申请设备号alloc_chrdev_region(&mydev, 0, 1, "mykey");printk("申请到的设备号 %d\n", mydev);printk("主设备号 %d\n", MAJOR(mydev));printk(
"次设备号 %d\n", MINOR(mydev));//初始化核心结构体myfops.owner = THIS_MODULE;myfops.open = myopen;myfops.release = myclose;myfops.read = myread;myfops.poll = mypoll;cdev_init(&mycdev, &myfops);//向设备注册核心结构体cdev_add(&mycdev, mydev, 1);//创建类结构体myclass = class_create(THIS_MODULE, "mykey");if(myclass == NULL){printk("创建类结构体失败\n");return -1;}//创建设备文件device_create(myclass, NULL, mydev, NULL, "mykey");return 0;
}static void __exit mykey_exit(void)
{//注销设备文件device_destroy(myclass, mydev);//注销类结构体class_destroy(myclass);//取消注册cdev_del(&mycdev);//释放设备好unregister_chrdev_region(mydev, 1);
}module_init(mykey_init);
module_exit(mykey_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");