字符设备驱动-----Linux中断处理体系结构

一、中断处理体系结构的初始化

　　Linux内核将所有的中断统一编号，使用一个irq_desc结构数组来描述这些中断;每个数组项对应一个中断，也可能是一组中断，它们共用相同的中断号，里面记录了中断的名称、中断状态、中断标记（比如中断类型、是否共享中断等），并提供了中断的低层硬件访问函数（清除、屏蔽、使能中断），提供了这个中断的处理函数入口，通过它可以调用用户注册的中断处理函数。

1.先了解中断处理体系结构

　　通过irq_desc结构数组就可以了解中断处理体系结构，irq_desc结构的数据类型include/linux/irq.h中定义，如下

 struct irq_desc {
 unsigned int irq;
 struct timer_rand_state *timer_rand_state;
 unsigned int *kstat_irqs;
 #ifdef CONFIG_INTR_REMAP
 struct irq_2_iommu *irq_2_iommu;
 #endif
 irq_flow_handler_t handle_irq; // 当前中断的处理函数入口

 struct irq_chip *chip;              //低层的硬件访问

 struct msi_desc *msi_desc;
 void *handler_data;
 void *chip_data;
 struct irqaction *action; // 用户提供的中断处理函数链表

 unsigned int status;      //IRQ状态
 ........

 const char *name;       //中断的名称

 } ____cacheline_internodealigned_in_smp;        

　　第8行：handle_irq是这个或这组中断的处理函数入口。发生中断时，总入口函数asm_do_IRQ将根据中断号调用相应irq_desc数组项中handle_irq.  handle_irq使用chip结构中的函数清除、屏蔽或者重新使能中断，还要调用用户在action链表中注册的中断处理函数。

 asmlinkage void __exception asm_do_IRQ(unsigned int irq, struct pt_regs *regs)
 {
     struct pt_regs *old_regs = set_irq_regs(regs);
     struct irq_desc *desc = irq_desc + irq;

     /*
      * Some hardware gives randomly wrong interrupts.  Rather
      * than crashing, do something sensible.
      */
     if (irq >= NR_IRQS)
         desc = &bad_irq_desc;

     irq_enter();

     desc_handle_irq(irq, desc);

     /* AT91 specific workaround */
     irq_finish(irq);

     irq_exit();
     set_irq_regs(old_regs);
 }

　　irq_desc是中断函数处理的数组,最终处理在desc_handle_irq(irq, desc); desc是中断全局数组,irq中断号

 static inline void desc_handle_irq(unsigned int irq, struct irq_desc *desc)
 {
     desc->handle_irq(irq, desc);
 }

　　irq_chip结构类型也是在include/linux/irq.h中定义，其中的成员大多用于操作底层硬件，比如设置寄存器以屏蔽中断，使能中断，清除中断等。

 struct irq_chip {
 　　const char *name;
 　　unsigned int (*startup)(unsigned int irq);//启动中断，如果不设置，缺省为“enable
 　　void (*shutdown)(unsigned int irq);/*关闭中断，如果不设置，缺省为"disable"*/
 　　void (*enable)(unsigned int irq); // 使用中断，如果不设置，缺省为"unmask"
 　　void (*disable)(unsigned int irq);//禁止中断，如果不设置，缺省为“mask”
 　　void (*ack)(unsigned int irq);　　 /*响应中断，通常是清除当前中断使得可以接收下一个中断*/
 　　void (*mask)(unsigned int irq);   //屏蔽中断源

 　　void (*mask_ack)(unsigned int irq);//屏蔽和响应中断

 　　void (*unmask)(unsigned int irq);//开启中断源

 　　void (*eoi)(unsigned int irq);
 　　　　........
 　　const char *typename;
 };

　　

　　irq_desc结构中的irqaction结构类型在include/linux/iterrupt.h中定义。用户注册的每个中断处理函数用一个irqaction结构来表示，一个中断比如共享中断可以有多个处理函数，它们的 irqaction 结构链接成一个链表，以action为表头。irqation结构定义如下

 struct irqaction {
 　　irq_handler_t handler; //用户注册的中断处理函数
 　　unsigned long flags;   //中断标志，比如是否共享中断，电平触发还是边沿触发
 　　const char *name; //用户注册的中断名字
 　　void *dev_id; 　　//用户传给上面的handler的参数，还可以用来区分共享中断
 　　struct irqaction *next; //指向下一个用户注册函数的指针
 　　int irq; //中断号
 　　struct proc_dir_entry *dir; 9 };

　

　　　irq_desc结构数组、它的成员“struct irq_chip *chip” "struct irqaction *action",这3种数据结构构成了中断处理体系的框架。

　　下图中描述了Linxu中断处理体系结构的关系图：

　　irq_desc结构数组：每个数组项用来描述一个中断

　　中断总入口函数asm_do_IRQ 根据中断号调用里面的handle_irq 成员，handle_irq使用chip结构中的函数清除、屏蔽或者重新使能中断，

　　还要调用用户在action链表中注册的中断处理函数。

中断处理流程如下：

　　(1)发生中断时，CPU执行异常向量vector_irq的代码

　　(2)在vector_irq里面，最终会调用中断处理的总入口函数asm_do_IRQ

　　(3)asm_do_IRQ根据中断号调用irq_desc数组项中的handle_irq。

　　(4)handle_irq会使用chip成员中的函数来设置硬件，比如清除中断、禁止中断、重新使能中断等

　　(5)handle_irq逐个调用用户在aciton链表中注册的处理函数

　　可见， 中断体系结构的初始化就是构造这些数据结构，比如irq_desc数组项中的handle_irq、chip等成员；用户注册中断时就是构造action链表；用户卸载中断时就是从action链  表中去除不需要的项。

2. 中断体系结构的初始化

　　init_IRQ函数被用来初始化中断处理体系结构，代码在arch/arm/kernel/irq.c中

 void __init init_IRQ(void)
 {
 　　int irq;

 　　for (irq = ; irq < NR_IRQS; irq++)
 　　　　irq_desc[irq].status |= IRQ_NOREQUEST | IRQ_NOPROBE;
    ......
 　　init_arch_irq();
 }

　　第5~6行 初始化irq_desc结构数组中每一项的中断状态

　　第8行调用架构相关的中断初始化函数。对于S3C2440开发板，这个函数就是s3c24xx_init_irq,移植machine_desc结构中的init_irq成员就指向这个函数

　　s3c24xx_init_irq函数在arch/arm/plat-s3c24xx/irq.c中定义，它为所有中断设置了芯片相关的数据结构（irq_desc[irq].chip），设置了处理函数入口（irq_desc[irq].handle_irq）。以外部中断EINT4-EINT23为例，用来设置它们的代码如下：

 void __init s3c24xx_init_irq(void)
 {
 ....

         case IRQ_UART2:
         case IRQ_ADCPARENT:
             set_irq_chip(irqno, &s3c_irq_level_chip);
             set_irq_handler(irqno, handle_level_irq);
             break;

         case IRQ_RESERVED6:
         case IRQ_RESERVED24:
             /* no IRQ here */
             break;

 ....
     set_irq_chained_handler(IRQ_EINT4t7, s3c_irq_demux_extint4t7);

 ...　　/*设置外部中断EINT4-EINT23*/
     for (irqno = IRQ_EINT4; irqno <= IRQ_EINT23; irqno++) {
         irqdbf("registering irq %d (extended s3c irq)\n", irqno);
         set_irq_chip(irqno, &s3c_irqext_chip);
         set_irq_handler(irqno, handle_edge_irq); ..............设置中断handler
         set_irq_flags(irqno, IRQF_VALID);
     }　　

　　在22行set_irq_chip函数的作用就是“irq_desc[irno].chip = &s3c_irqext_chip”,以后就可能通过irq_desc[irqno].chip结构中的函数指针设置这些外部中断的触发方式（电平触发，边沿触发），使能中断，禁止中断。

　　在23行设置这些中断的处理函数入口为handle_edge_irq，即“irq_desc[irqno].handle_irq =handle_edge_irq”.发生中断时，handle_edge_irq函数会调用用户注册的具体处理函数； 在24行设置中断标志为“IRQF_VALID”，表示可以使用它们。init_IRQ函数执行完后，irq_desc数组项的chip,handl_irq成员就都被设置好了。

二、用户注册中断处理函数的过程 

　　用户驱动程序通过request_irq函数向内核注册中断处理函数，request_irq函数根据中断号找到irq_desc数组项，然后在它的action链表添加一个表项。原先的内核中requset_irq函数在kernel/irq/manage.c中定义　

irq:中断号
handler：处理函数
irqflags:上升沿触发，下降沿触发，边沿触发等。指定了快速中断或中断共享等中断处理属性.
*devname：中断名字。通常是设备驱动程序的名称。改值用在 /proc/interrupt 系统 (虚拟)
文件上，或内核发生中断错误时使用。
dev_id 可作为共享中断时的中断区别参数，也可以用来指定中断服务函数需要参考的数据地址。也用于卸载action

 int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,
         unsigned long irqflags, const char *devname, void *dev_id)
 {
     struct irqaction *action;
     int retval;

 ......
     if ((irqflags & IRQF_SHARED) && !dev_id)
         return -EINVAL;
 ......
     if (!handler)
         return -EINVAL;

     action = kmalloc(sizeof(struct irqaction), GFP_ATOMIC);
     if (!action)
         return -ENOMEM;

     action->handler = handler;
     action->flags = irqflags;
     cpus_clear(action->mask);
     action->name = devname;
     action->next = NULL;
     action->dev_id = dev_id;

     select_smp_affinity(irq);
 ......
     retval = setup_irq(irq, action);
 ......
 }

　　requset_threaded_irq函数首先使用这4个参数构造一个irqaction结构，然后调用setup_irq函数将它链入链表中，

　　setup_irq函数也是在kernel/irq.manage.c中定义，它完成如下3个主要功能

　　    （1）将新建的irqaction结构链入irq_desc[irq]结构的action链表中，这有两种可能。

　　            1.如果action链表为空，则直接链入,

　　　　　  2.否则先判断新建的irqaction结构和链表中的irqaction结构所表示的中断类型是否一致，即是否都声明为"可共享的"（IRQF_SHARED)、是否都使用相同的触发方式，如果一致，则将新建的irqation结构链入

　　    （2）设置irq_desc[irq]结构中chip成员的还没设置的指针，让它们指向一些默认函数

　　　　chip成员在init_IRQ函数初始化中断体系结构的时候已经设置了，这里只是设置其中还没设置的指针

　　　　这通过irq_chip_set_defaults函数来完成，它在kernel/irq/chip.c中定义

 void irq_chip_set_defaults(struct irq_chip *chip)
 {
 　　if (!chip->enable)
 4　　 　　chip->enable = default_enable;//调用chip->unmask
 　　if (!chip->disable)
 　　　　chip->disable = default_disable;//此函数为空
 　　if (!chip->startup)
 8　　 　　chip->startup = default_startup;//调用chip->enable
 　　if (!chip->shutdown)
 　　　　chip->shutdown = chip->disable； 　　if (!chip->name)
 　　　　chip->name = chip->typename;
 　　if (!chip->end)
15　　　　 chip->end = dummy_irq_chip.end;
 }

　　

　　（3）启动中断

　　 　　如果irq_desc[irq]结构中status成员没有被指明IRQ_NOAUTOEN（表示注册中断时不要使用中断），还要调用chip->startup或chip->enable来启动中断，所谓启动中断通常就是使用中断。一般情况下，只有那些“可以自动使能的”中断对应的irq_desc[irq].status才会被指明为IRQ_NOAUTOEN，所以，无论哪种情况，执行request_irq注册中断之后，这个中断就已经被使能了。

　　　总结一下request_irq函数注册中断后的“成果”

　　　　(1)irq_des[irq]结构中的action链表中已经链入了用户注册的中断处理函数

　　　　(2)中断的触发方式已经被设好

　　　　(3)中断已经被使能

　　　　总之，执行requset_irq函数之后，中断就可以发生并能被处理了

三、中断处理过程
　　

　　(1)中断向量调用总入口函数asm_do_IRQ，传入根据中断号irq

　　(2)asm_do_IRQ函数根据中断号irq调用irq_desc[irq].handle_irq，它是这个中断的处理函数入口，对于电平触发的中断，

　　　 这个入口函数通常为handle_level_irq,对于边沿触发的中断，这个入口通常为handle_edge_irq

　　(3)入口函数首先清除中断，入口函数是handle_level_irq时还要屏蔽中断

　　(4)逐个调用用户在irq_desc[irq].aciton链表中注册的中断处理函数

　　(5) 入口函数是handle_level_irq时，还要重新开启中断

　　

　　卸载中断

　　卸载中断处理函数这通过free_irq函数来实现，它与request_irq一样，也是在kernel/irq/mangage.c中定义。

　　它需要用到两个参数：irq和dev_id,它们与通过request_irq注册中断函数时使用的参数一样，使用中断号irq定位action链表，

　　再使用dev_id在action链表中找到要卸载的表项。同一个中断的不同中断处理函数必须使用不同的dev_id来区分，在注册共享中断时参数dev_id必惟一。

　　free_irq函数的处理过程与request_irq函数相反

　　(1)根据中断号irq，dev_id从action链表中找到表项，将它移除

　　(2)如果它是惟一的表项，还要调用IRQ_DESC[IRQ].CHIP->SHUTDOWN 或IRQ_DESC[IRQ].CHIP->DISABLW来关闭中断。

在响应一个特定的中断的时候，内核会执行一个函数，该函数叫做中断处理程序（interrupt handler）或中断服务例程（interrupt service routine ,ISP）.产生中断的每个设备都有一个相应的中断处理程序，中断处理程序通常不和特定的设备关联，而是和特定的中断关联的，也就是说，如果一个设备可以产生多种不同的中断，那么该就可以对应多个中断处理程序，相应的，该设备的驱动程序也就要准备多个这样的函数。在Linux内核中处理中断是分为上半部（top half），和下半部（bottom half）之分的。上半部只做有严格时限的工作，例如对接收到的中断进行应答或复位硬件，这些工作是在所有的中断被禁止的情况下完成的，能够被允许稍后完成的工作会推迟到下半部去。要想了解上半部和下半部的机制可以阅读一下《Linux内核设计与实现》.

参考：

http://layty.coding.me/2018/11/22/Linux/

http://www.techbulo.com/1844.html