Linux 中断

一、什么是中断

中断是指计算机运行过程中，出现某些意外情况需主机干预时，机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。中断是频繁使用的功能，中断极大的提高了 CPU 的利用率。

二、Linux 中断简介

在 Linux 内核中提供了完善的中断框架，我们只需要申请中断，然后注册中断处理函数即可，使用非常方便，不需要一系列复杂的寄存器配置。

1.Linux 中断 API 函数

在裸机中使用中断的流程：

①、使能中断，初始化相应的寄存器。
②、注册中断服务函数，也就是向 irqTable 数组的指定标号处写入中断服务函数
②、中断发生以后进入 IRQ 中断服务函数，在 IRQ 中断服务函数在数组 irqTable 里面查找具体的中断处理函数，找到以后执行相应的中断处理函数。
在 Linux 内核中也提供了大量的中断相关的 API 函数，我们来看一下这些跟中断有关的 API 函数：

(1)中断号

每个中断都有一个中断号，通过中断号即可区分不同的中断，中断号叫中断线。在 Linux 内核中使用一个 int 变量表示中断号。

(2)request_irq 函数

在 Linux 内核中要想使用某个中断是需要申请的， request_irq 函数用于申请中断， request_irq
函数可能会导致睡眠，因此不能在中断上下文或者其他禁止睡眠的代码段中使用 request_irq 函
数。 request_irq 函数会激活(使能)中断，所以不需要我们手动去使能中断， request_irq 函数原型
如下：

int request_irq(unsigned int irq,irq_handler_t handler,
			unsigned long flags,
			const char *name,void *dev)

irq：要申请中断的中断号。
handler：中断处理函数，当中断发生以后就会执行此中断处理函数。
flags：中断标志，可以在文件 include/linux/interrupt.h 里面查看所有的中断标志。以下是部分中断标志

各个不同的标志在使用是可以通过“|”运算符组合。

name：中断名字，设置以后可以在/proc/interrupts 文件中看到对应的中断名字。
dev： 如果将 flags 设置为 IRQF_SHARED 的话， dev 用来区分不同的中断，一般情况下将 dev 设置为设备结构体， dev 会传递给中断处理函数 irq_handler_t 的第二个参数。
返回值： 0 中断申请成功，其他负值 中断申请失败，如果返回-EBUSY 的话表示中断已经被申请了。

(3)free_irq 函数

使用中断的时候需要通过 request_irq 函数申请，使用完成以后就要通过 free_irq 函数释放掉相应的中断。如果中断不是共享的，那么 free_irq 会删除中断处理函数并且禁止中断。

free_irq 函数原型如下所示：

void free_irq(unsigned int irq, void *dev)

irq： 要释放的中断。
dev：如果中断设置为共享(IRQF_SHARED)的话，此参数用来区分具体的中断。共享中断只有在释放最后中断处理函数的时候才会被禁止掉。
返回值：无。

(4)中断处理函数

使用 request_irq 函数申请中断的时候需要设置中断处理函数，中断处理函数格式如下所示：

irqreturn_t (*irq_handler_t) (int, void *)

第一个参数是要中断处理函数要相应的中断号。第二个参数是一个指向 void 的指针，也就是个通用指针，需要与 request_irq 函数的 dev 参数保持一致。用于区分共享中断的不同设备，dev 也可以指向设备数据结构。中断处理函数的返回值为 irqreturn_t 类型， irqreturn_t 类型定义如下所示：

enum irqreturn {
	IRQ_NONE = (0 << 0), /* 不是本设备中断 */
	IRQ_HANDLED = (1 << 0), /* 本设备中断 */
	IRQ_WAKE_THREAD = (1 << 1), /* 处理程序请求线程唤醒 */
};
typedef enum irqreturn irqreturn_t;

irqreturn_t 是个枚举类型，一共有三种返回值。一般中断服务函数返回值使用如下形式：

return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED)

(5)中断使能与禁止函数

常用的中断使用和禁止函数如下所示：

void enable_irq(unsigned int irq)
void disable_irq(unsigned int irq)

enable_irq 和 disable_irq 用于使能和禁止指定的中断， irq 就是要禁止的中断号。 disable_irq 函数要等到当前正在执行的中断处理函数执行完才返回，因此使用者需要保证不会产生新的中断，并且确保所有已经开始执行的中断处理程序已经全部退出。在这种情况下，可以使用另外一个中断禁止函数：

void disable_irq_nosync(unsigned int irq)

disable_irq_nosync 函数调用以后立即返回，不会等待当前中断处理程序执行完毕。

上面三个函数都是使能或者禁止某一个中断，有时候我们需要关闭当前处理器的整个中断系统.

local_irq_enable()
local_irq_disable()

local_irq_enable 用于使能当前处理器中断系统， local_irq_disable 用于禁止当前处理器中断系统。

local_irq_save(flags)
local_irq_restore(flags)

这两个函数是一对， local_irq_save 函数用于禁止中断，并且将中断状态保存在 flags 中。local_irq_restore 用于恢复中断，将中断到 flags 状态。

2.上半部与下半部

我们总是期望中断执行得越快越好，但是实际某些中断任务必须花费相对较长的时间才能够执行完毕，那么怎么解决这个问题呢？将中断分为上半部和下半部。

上半部：上半部就是中断处理函数，那些处理过程比较快，不会占用很长时间的处理就可以放在上半部完成。
下半部：如果中断处理过程比较耗时，那么就将这些比较耗时的代码提出来，交给下半部去执行，这样中断处理函数就会快进快出。

下半部的目的在于讲并不是非常紧急的工作推后执行，非紧迫可中断。至于哪些代码属于上半部，哪些代码属于下半部并没有明确的规定，一切根据实际使用情况去判断，这个就很考验驱动编写人员的功底了。

参考点：
①、如果要处理的内容不希望被其他中断打断，那么可以放到上半部。

②、如果要处理的任务对时间敏感，可以放到上半部。

③、如果要处理的任务与硬件有关，可以放到上半部。

④、除了上述三点以外的其他任务，优先考虑放到下半部。

中断下半部机制：

(1)软中断

Linux 内核使用结构体 softirq_action 表示软中断， softirq_action 结构体定义在文件 include/linux/interrupt.h 中

struct softirq_action
{
	void (*action)(struct softirq_action *);
};

在 kernel/softirq.c 文件中一共定义了 10 个软中断：

static struct softirq_action softirq_vec[NR_SOFTIRQS];

NR_SOFTIRQS 是枚举类型，定义在文件 include/linux/interrupt.h 中，定义如下：

enum
{
	HI_SOFTIRQ=0, /* 高优先级软中断 */
	TIMER_SOFTIRQ, /* 定时器软中断 */
	NET_TX_SOFTIRQ, /* 网络数据发送软中断 */
	NET_RX_SOFTIRQ, /* 网络数据接收软中断 */
	BLOCK_SOFTIRQ,
	BLOCK_IOPOLL_SOFTIRQ,
	TASKLET_SOFTIRQ, /* tasklet 软中断 */
	SCHED_SOFTIRQ, /* 调度软中断 */
	HRTIMER_SOFTIRQ, /* 高精度定时器软中断 */
	RCU_SOFTIRQ, /* RCU 软中断 */
	NR_SOFTIRQS
};

softirq_action 结构体中的 action 成员变量就是软中断的服务函数，数组 softirq_vec 是个全局数组，因此所有的 CPU(对于 SMP 系统而言)都可以访问到，每个 CPU 都有自己的触发和控制机制，并且只执行自己所触发的软中断。但是各个 CPU 所执行的软中断服务函数确是相同的，都是数组 softirq_vec 中定义的 action 函数。要使用软中断，必须先使用 open_softirq 函数注册对应的软中断处理函数， open_softirq 函数原型如下：

void open_softirq(int nr, void (*action)(struct softirq_action *))

nr：要开启的软中断，在示例代码 51.1.2.3 中选择一个。
action：软中断对应的处理函数。
返回值： 没有返回值。
注册好软中断以后需要通过 raise_softirq 函数触发， raise_softirq 函数原型如下：

void raise_softirq(unsigned int nr)

nr：要触发的软中断，十选一
返回值： 没有返回值。

软中断必须在编译的时候静态注册！ Linux 内核使用 softirq_init 函数初始化软中断，
softirq_init 函数定义在 kernel/softirq.c 文件里面，函数内容如下：

void __init softirq_init(void)
{
	int cpu;

	for_each_possible_cpu(cpu) {
		per_cpu(tasklet_vec, cpu).tail =
		&per_cpu(tasklet_vec, cpu).head;
		per_cpu(tasklet_hi_vec, cpu).tail =
		&per_cpu(tasklet_hi_vec, cpu).head;
	}

	open_softirq(TASKLET_SOFTIRQ, tasklet_action);
	open_softirq(HI_SOFTIRQ, tasklet_hi_action);
}

softirq_init 函数默认会打开 TASKLET_SOFTIRQ 和 HI_SOFTIRQ。

(2)tasklet

tasklet 是利用软中断来实现的另外一种下半部机制。软中断和 tasklet 有密切的关系，tasklet 是在软中断之上实现。

软中断的分配是静态的(即在编译时定义)，而 tasklet 的分配和初始化可以在运行时进行(例如:安装一个内核模块时)。软中断(即便是同一种类型的软中断)可以并发地运行在多个 CPU 上。因此，软中断是可重入函数而且必须明确地使用自旋锁保护其数据结构。tasklet 不必担心这些问题，因为内核对 tasklet 的执行进行了更加严格的控制。相同类型的 tasklet 总是被串行地执行，换句话说就是:不能在两个 CPU 上同时运行相同类型的 tasklet。但是，类型不同的 tasklet 可以在几个 CPU 上并发执行。tasklet 的串行化使 tasklet 函数不必是可重入的，因此简化了设备驱动程序开发者的工作。在软中断和 tasklet 之间，建议使用 tasklet。

tasklet_struct 结构体

struct tasklet_struct
{
	struct tasklet_struct *next; /* 下一个 tasklet */
	unsigned long state; /* tasklet 状态 */
	atomic_t count; /* 计数器，记录对 tasklet 的引用数 */
	void (*func)(unsigned long); /* tasklet 执行的函数 */
	unsigned long data; /* 函数 func 的参数 */
};

func 函数就是 tasklet 要执行的处理函数，用户定义函数内容，相当于中断处理函数。如果要使用 tasklet，必须先定义一个 tasklet，然后使用 tasklet_init 函数初始化 tasklet，taskled_init 函数原型如下：

void tasklet_init(struct tasklet_struct *t, void  (*func)(unsigned long), unsigned long data);

t：要初始化的 tasklet
func： tasklet 的处理函数。
data： 要传递给 func 函数的参数
返回值： 没有返回值。

也 可 以 使 用 宏 DECLARE_TASKLET 来 一 次 性 完 成 tasklet 的 定 义 和 初 始 化 ，DECLARE_TASKLET 定义在 include/linux/interrupt.h 文件中，定义如下:

DECLARE_TASKLET(name, func, data)

其中 name 为要定义的 tasklet 名字，这个名字就是一个 tasklet_struct 类型的时候变量， func 就是 tasklet 的处理函数， data 是传递给 func 函数的参数。

在上半部，也就是中断处理函数中调用 tasklet_schedule 函数就能使 tasklet 在合适的时间运行， tasklet_schedule 函数原型如下：

void tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t)

函数参数和返回值含义如下：
t：要调度的 tasklet，也就是 DECLARE_TASKLET 宏里面的 name。
返回值： 没有返回值。

exampel:

/* 定义 taselet */
struct tasklet_struct testtasklet;

/* tasklet 处理函数 */
void testtasklet_func(unsigned long data)
{
	/* tasklet 具体处理内容 */
}

/* 中断处理函数 */
irqreturn_t test_handler(int irq, void *dev_id)
{
	......
	/* 调度 tasklet */
	tasklet_schedule(&testtasklet);
	......
}

/* 驱动入口函数 */
static int __init xxxx_init(void)
{
	......
	/* 初始化 tasklet */
	tasklet_init(&testtasklet, testtasklet_func, data);
	/* 注册中断处理函数 */
	request_irq(xxx_irq, test_handler, 0, "xxx", &xxx_dev);
	......
}

(3)工作队列

工作队列是另外一种下半部执行方式，工作队列在进程上下文执行，工作队列将要推后的工作交给一个内核线程去执行，因为工作队列工作在进程上下文，因此工作队列允许睡眠或重新调度。因此如果你要推后的工作可以睡眠那么就可以选择工作队列，否则选择软中断或 tasklet。

Linux 内核使用 work_struct 结构体表示一个工作:

struct work_struct {
	atomic_long_t data;
	struct list_head entry;
	work_func_t func; /* 工作队列处理函数 */
};

这些工作组织成工作队列，工作队列使用 workqueue_struct 结构体表示:

struct workqueue_struct {
	struct list_head pwqs;
	struct list_head list;
	struct mutex mutex;
	int work_color;
	int flush_color;
	atomic_t nr_pwqs_to_flush;
	struct wq_flusher *first_flusher;
	struct list_head flusher_queue;
	struct list_head flusher_overflow;
	struct list_head maydays;
	struct worker *rescuer;
	int nr_drainers;
	int saved_max_active;
	struct workqueue_attrs *unbound_attrs;
	struct pool_workqueue *dfl_pwq;
	char name[WQ_NAME_LEN];
	struct rcu_head rcu;
	unsigned int flags ____cacheline_aligned;
	struct pool_workqueue __percpu *cpu_pwqs;
	struct pool_workqueue __rcu *numa_pwq_tbl[];
};

Linux 内核使用工作者线程(worker thread)来处理工作队列中的各个工作， Linux 内核使用 worker 结构体表示工作者线程， worker 结构体内容如下：

struct worker {
	union {
		struct list_head entry;
		struct hlist_node hentry;
	};
	struct work_struct *current_work;
	work_func_t current_func;
	struct pool_workqueue *current_pwq;
	bool desc_valid;
	struct list_head scheduled;
	struct task_struct *task;
	struct worker_pool *pool;
	struct list_head node;
	unsigned long last_active;
	unsigned int flags;
	int id;
	char desc[WORKER_DESC_LEN];
	struct workqueue_struct *rescue_wq;
};

每个 worker 都有一个工作队列，工作者线程处理自己工作队列中的所有工作。在驱动开发中，我们只需要定义工作(work_struct)即可，关于工作队列和工作者线程我们基本不用去管。简单创建工作很简单，直接定义一个 work_struct 结构体变量即可，然后使用 INIT_WORK 宏来初始化工作， INIT_WORK 宏定义如下：

#define INIT_WORK(_work, _func)

work 表示要初始化的工作， _func 是工作对应的处理函数。也可以使用 DECLARE_WORK 宏一次性完成工作的创建和初始化，宏定义如下：

#define DECLARE_WORK(n, f)

n 表示定义的工作(work_struct)，

f 表示工作对应的处理函数。和 tasklet 一样，工作也是需要调度才能运行的，工作的调度函数为 schedule_work，函数原型如下所示：

bool schedule_work(struct work_struct *work)

work： 要调度的工作。
返回值： 0 成功，其他值 失败。

example:

/* 定义工作(work) */
struct work_struct testwork;

/* work 处理函数 */
void testwork_func_t(struct work_struct *work);
{
	/* work 具体处理内容 */
}

/* 中断处理函数 */
irqreturn_t test_handler(int irq, void *dev_id)
{
	......
	/* 调度 work */
	schedule_work(&testwork);
	......
}

/* 驱动入口函数 */
static int __init xxxx_init(void)
{
	......
	/* 初始化 work */
	INIT_WORK(&testwork, testwork_func_t);
	/* 注册中断处理函数 */
	request_irq(xxx_irq, test_handler, 0, "xxx", &xxx_dev);
	......
}

3 获取中断号

编写驱动的时候需要用到中断号，我们用到中断号，中断信息已经写到了设备树里面，因此可以通过 irq_of_parse_and_map 函数从 interupts 属性中提取到对应的设备号，函数原型如下：

unsigned int irq_of_parse_and_map(struct device_node *dev, int index)

dev： 设备节点。

index：索引号， interrupts 属性可能包含多条中断信息，通过 index 指定要获取的信息。
返回值：中断号。
如果使用 GPIO 的话，可以使用 gpio_to_irq 函数来获取 gpio 对应的中断号，函数原型如下：

int gpio_to_irq(unsigned int gpio)

gpio： 要获取的 GPIO 编号。
返回值： GPIO 对应的中断号。