Linux中断实验

一、linux中断简介

1.cortex-A7中断系统简介

• 中断向量表

中断类型	中断描述
复位中断(Rest)	CPU 复位以后就会进入复位中断，我们可以在复位中断服务函数里面做一些初始化工作，比如初始化 SP 指针、 DDR 等等。
未定义指令中断(Undefined Instruction)	如果指令不能识别的话就会产生此中断。
软中断(Software Interrupt,SWI)	由 SWI 指令引起的中断， Linux 的系统调用会用 SWI指令来引起软中断，通过软中断来陷入到内核空间。
指令预取中止中断(Prefetch Abort)	预取指令的出错的时候会产生此中断。
数据访问中止中断(Data Abort)	访问数据出错的时候会产生此中断。
未使用(Not Used)
IRQ 中断(IRQ Interrupt)	芯片内部的外设中断都会引起此中断的发生。
FIQ 中断(FIQ Interrupt)	快速中断，如果需要快速处理中断的话就可以使用此中。

• GIC控制器

GIC 是 ARM 公司给 Cortex-A/R内核提供的一个中断控制器，类似Cortex-M 内核中的NVIC。

图 17.1.3.2 中左侧部分就是中断源，中间部分就是GIC控制器，最右侧就是中断控制器向处理器内核发送中断信息。我们重点要看的肯定是中间的 GIC 部分，GIC 将众多的中断源分为分为三类：
①、 SPI(Shared Peripheral Interrupt),共享中断，顾名思义，所有 Core 共享的中断，这个是最常见的，那些外部中断都属于 SPI 中断(注意！不是 SPI 总线那个中断) 。比如按键中断、串口中断等等，这些中断所有的 Core 都可以处理，不限定特定 Core。
②、 PPI(Private Peripheral Interrupt)，私有中断，我们说了 GIC 是支持多核的，每个核肯定有自己独有的中断。这些独有的中断肯定是要指定的核心处理，因此这些中断就叫做私有中断。
③、 SGI(Software-generatedInterrupt)，软件中断，由软件触发引起的中断，通过向寄存器GICD_SGIR 写入数据来触发，系统会使用 SGI 中断来完成多核之间的通信。

• 中断ID

中断源有很多，为了区分这些不同的中断源肯定要给他们分配一个唯一 ID，这些 ID 就是中断 ID。
ID0~ID15：这 16 个 ID 分配给 SGI。
ID16~ID31：这 16 个 ID 分配给 PPI。
ID32~ID1019：这 988 个 ID 分配给 SPI，像 GPIO 中断、串口中断等这些外部中断至于具体到某个 ID 对应哪个中断那就由半导体厂商根据实际情况去定义了。

2.linux中断API函数

函数	描述
int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags, const char *name, void *dev)	申请中断 0
void free_irq(unsigned int irq, void *dev)	释放中断
void enable_irq(unsigned int irq)	使能中断
void enable_irq(unsigned int irq)	禁止中断(要等待当前函数执行完)
void disable_irq_nosync(unsigned int irq)	禁止中断(不用等待)
local_irq_save(flags)	关闭中断系统并保存中断
local_irq_restore(flags)	恢复中断系统
irqreturn_t (*irq_handler_t) (int, void *)	中断处理函数

标志	描述
IRQF_SHARED	多个设备共享一个中断线，共享的所有中断都必须指定此标志。如果使用共享中断的话，request_irq函数的dev参数就是唯一区分他们的标志
IRQF_ONESHOT	单次中断，中断执行一次就结束。
IRQF_TRIGGER_NONE	无触发
IRQF_TRIGGER_RISING	上升沿触发
IRQF_TRIGGER_FALLING	下降沿触发
IRQF_TRIGGER_HIGH	高电平触发
IRQF_TRIGGER_LOW	低电平触发

3.上半部与下半部

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。

• 下半部执行机制(tasklet)

/* tasklet_struct原型 */
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 */
};
/* 对应初始化函数 */
void tasklet_init(struct tasklet_struct *t, func, unsigned long data);
DECLARE_TASKLET(name, func, data)

/* 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);
......

• 工作队列执行机制

/* 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);
}

二、按键驱动中断实例

• 设备树内中断节点的属性

1. interrupt-controller：一个空的属性定义(就是仅仅列出了该字符串,见下面),该节点作为一个接收中断信号的设备。
2. #interrupt-cells：这是一个中断控制器节点的属性。它声明了该中断控制器的中断指示符中cell的个数（类似于#address-cells和#size-cells）。
3. interrupt-parent：这是一个设备节点的属性，包含一个指向该设备连接的中断控制器的phandle。那些没有interrupt-parent的节点则从它们的父节点中继承该属性。
4. interrupts：一个设备节点属性，包含一个中断指示符的列表，对应于该设备上的每个中断输出信号。

• 关于interupts属性与interrupt-cellss属性的配合

#1.两个参数
interrupt-parent = <&gpio2>; #表示中断控制器是GPIO2
interrupts = <5 1>; 使用GPIO2的5号引脚, 上升沿触发.
# 1.上升沿触发; 2.下降沿触发; 4.高电平触发; 8.低电平触发;

#2.三个参数
interrupts = <GIC_SPI 66 1>; 
#第一个: 中断类型
#第二个：中端号
#第三个：出发类型

• API函数

/* 从interupts 属性中提取到对应的中端号 */
unsigned int irq_of_parse_and_map(struct device_node *dev, int index)
/* 获取 gpio 对应的中断号 */
int gpio_to_irq(unsigned int gpio)

• 实际使用示例

key {
	#address-cells = <1>;
	#size-cells = <1>;
	compatible = "alpha,key";
	pinctrl-names = "default";
	pinctrl-0 = <&pinctrl_key>;
	key-gpio = <&gpio1 18 GPIO_ACTIVE_LOW>; /* KEY0 */
	interrupt-parent = <&gpio1>; /* 使用gpio1中断控制器 */
	interrupts = <18 IRQ_TYPE_EDGE_BOTH>; /* 使用18号引脚,上升下降沿触发 */
	status = "okay";
};

• 业务逻辑：完成按下并松开按键一个循环，输出按键值。(用定时器进行消抖)

#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/of.h>
#include <linux/of_address.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/semaphore.h>
#include <linux/timer.h>
#include <linux/of_irq.h>
#include <linux/irq.h>
#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>

#define IMX6UIRQ_CNT		1			/* 设备号个数 	*/
#define IMX6UIRQ_NAME		"imx6uirq"	/* 名字 		*/
#define KEY0VALUE			0X01		/* KEY0按键值 	*/
#define INVAKEY				0XFF		/* 无效的按键值 */
#define KEY_NUM				1			/* 按键数量 	*/

/* 中断IO描述结构体 */
struct irq_keydesc {
	int gpio;								/* gpio */
	int irqnum;								/* 中断号     */
	unsigned char value;					/* 按键对应的键值 */
	char name[10];							/* 名字 */
	irqreturn_t (*handler)(int, void *);	/* 中断服务函数 */
};

/* imx6uirq设备结构体 */
struct imx6uirq_dev{
	dev_t devid;			/* 设备号 	 */
	struct cdev cdev;		/* cdev 	*/
	struct class *class;	/* 类 		*/
	struct device *device;	/* 设备 	 */
	int major;				/* 主设备号	  */
	int minor;				/* 次设备号   */
	struct device_node	*nd; /* 设备节点 */
	atomic_t keyvalue;		/* 有效的按键键值 */
	atomic_t releasekey;	/* 标记是否完成一次完成的按键，包括按下和释放 */
	struct timer_list timer;/* 定义一个定时器*/
	struct irq_keydesc irqkeydesc[KEY_NUM];	/* 按键描述数组 */
	unsigned char curkeynum;				/* 当前的按键号 */
};

struct imx6uirq_dev imx6uirq;	/* irq设备 */

/* @description		: 中断服务函数，开启定时器，延时10ms，
 *				  	  定时器用于按键消抖。
 * @param - irq 	: 中断号 
 * @param - dev_id	: 设备结构。
 * @return 			: 中断执行结果
 */
static irqreturn_t key0_handler(int irq, void *dev_id)
{
	struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev *)dev_id;

	dev->curkeynum = 0;
	dev->timer.data = (volatile long)dev_id;
	mod_timer(&dev->timer, jiffies + msecs_to_jiffies(10));	/* 10ms定时 */
	return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);
}

/* @description	: 定时器服务函数，用于按键消抖，定时器到了以后
 *				  再次读取按键值，如果按键还是处于按下状态就表示按键有效。
 * @param - arg	: 设备结构变量
 * @return 		: 无
 */
void timer_function(unsigned long arg)
{
	unsigned char value;
	unsigned char num;
	struct irq_keydesc *keydesc;
	struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev *)arg;

	num = dev->curkeynum;
	keydesc = &dev->irqkeydesc[num];

	value = gpio_get_value(keydesc->gpio); 	/* 读取IO值 */
	if(value == 0){ 						/* 按下按键 */
		atomic_set(&dev->keyvalue, keydesc->value);
	}
	else{ 									/* 按键松开 */
		atomic_set(&dev->keyvalue, 0x80 | keydesc->value);
		atomic_set(&dev->releasekey, 1);	/* 标记松开按键，即完成一次完整的按键过程 */			
	}	
}

/*
 * @description	: 按键IO初始化
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static int keyio_init(void)
{
	unsigned char i = 0;
	int ret = 0;
	
	imx6uirq.nd = of_find_node_by_path("/key");
	if (imx6uirq.nd== NULL){
		printk("key node not find!\r\n");
		return -EINVAL;
	} 

	/* 提取GPIO */
	for (i = 0; i < KEY_NUM; i++) {
		imx6uirq.irqkeydesc[i].gpio = of_get_named_gpio(imx6uirq.nd ,"key-gpio", i);
		if (imx6uirq.irqkeydesc[i].gpio < 0) {
			printk("can't get key%d\r\n", i);
		}
	}
	
	/* 初始化key所使用的IO，并且设置成中断模式 */
	for (i = 0; i < KEY_NUM; i++) {
		memset(imx6uirq.irqkeydesc[i].name, 0, sizeof(imx6uirq.irqkeydesc[i].name));	/* 缓冲区清零 */
		sprintf(imx6uirq.irqkeydesc[i].name, "KEY%d", i);		/* 组合名字 */
		gpio_request(imx6uirq.irqkeydesc[i].gpio, imx6uirq.irqkeydesc[i].name);
		gpio_direction_input(imx6uirq.irqkeydesc[i].gpio);	
		imx6uirq.irqkeydesc[i].irqnum = irq_of_parse_and_map(imx6uirq.nd, i);
#if 0
		imx6uirq.irqkeydesc[i].irqnum = gpio_to_irq(imx6uirq.irqkeydesc[i].gpio);
#endif
		printk("key%d:gpio=%d, irqnum=%d\r\n",i, imx6uirq.irqkeydesc[i].gpio, 
                                         imx6uirq.irqkeydesc[i].irqnum);
	}
	/* 申请中断 */
	imx6uirq.irqkeydesc[0].handler = key0_handler;
	imx6uirq.irqkeydesc[0].value = KEY0VALUE;
	
	for (i = 0; i < KEY_NUM; i++) {
		ret = request_irq(imx6uirq.irqkeydesc[i].irqnum, imx6uirq.irqkeydesc[i].handler, 
		                 IRQF_TRIGGER_FALLING|IRQF_TRIGGER_RISING, imx6uirq.irqkeydesc[i].name, &imx6uirq);
		if(ret < 0){
			printk("irq %d request failed!\r\n", imx6uirq.irqkeydesc[i].irqnum);
			return -EFAULT;
		}
	}

	/* 创建定时器 */
	init_timer(&imx6uirq.timer);
	imx6uirq.timer.function = timer_function;
	return 0;
}

/*
 * @description		: 打开设备
 * @param - inode 	: 传递给驱动的inode
 * @param - filp 	: 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
 * 					  一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int imx6uirq_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	filp->private_data = &imx6uirq;	/* 设置私有数据 */
	return 0;
}

 /*
  * @description     : 从设备读取数据 
  * @param - filp    : 要打开的设备文件(文件描述符)
  * @param - buf     : 返回给用户空间的数据缓冲区
  * @param - cnt     : 要读取的数据长度
  * @param - offt    : 相对于文件首地址的偏移
  * @return          : 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败
  */
static ssize_t imx6uirq_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
	int ret = 0;
	unsigned char keyvalue = 0;
	unsigned char releasekey = 0;
	struct imx6uirq_dev *dev = (struct imx6uirq_dev *)filp->private_data;

	keyvalue = atomic_read(&dev->keyvalue);
	releasekey = atomic_read(&dev->releasekey);

	if (releasekey) { /* 有按键按下 */	
		if (keyvalue & 0x80) {
			keyvalue &= ~0x80;
			ret = copy_to_user(buf, &keyvalue, sizeof(keyvalue));
		} else {
			goto data_error;
		}
		atomic_set(&dev->releasekey, 0);/* 按下标志清零 */
	} else {
		goto data_error;
	}
	return 0;
	
data_error:
	return -EINVAL;
}

/* 设备操作函数 */
static struct file_operations imx6uirq_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = imx6uirq_open,
	.read = imx6uirq_read,
};

/*
 * @description	: 驱动入口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static int __init imx6uirq_init(void)
{
	/* 1、构建设备号 */
	if (imx6uirq.major) {
		imx6uirq.devid = MKDEV(imx6uirq.major, 0);
		register_chrdev_region(imx6uirq.devid, IMX6UIRQ_CNT, IMX6UIRQ_NAME);
	} else {
		alloc_chrdev_region(&imx6uirq.devid, 0, IMX6UIRQ_CNT, IMX6UIRQ_NAME);
		imx6uirq.major = MAJOR(imx6uirq.devid);
		imx6uirq.minor = MINOR(imx6uirq.devid);
	}

	/* 2、注册字符设备 */
	cdev_init(&imx6uirq.cdev, &imx6uirq_fops);
	cdev_add(&imx6uirq.cdev, imx6uirq.devid, IMX6UIRQ_CNT);

	/* 3、创建类 */
	imx6uirq.class = class_create(THIS_MODULE, IMX6UIRQ_NAME);
	if (IS_ERR(imx6uirq.class)) {
		return PTR_ERR(imx6uirq.class);
	}

	/* 4、创建设备 */
	imx6uirq.device = device_create(imx6uirq.class, NULL, imx6uirq.devid, NULL, IMX6UIRQ_NAME);
	if (IS_ERR(imx6uirq.device)) {
		return PTR_ERR(imx6uirq.device);
	}
	
	/* 5、初始化按键 */
	atomic_set(&imx6uirq.keyvalue, INVAKEY);
	atomic_set(&imx6uirq.releasekey, 0);
	keyio_init();
	return 0;
}

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static void __exit imx6uirq_exit(void)
{
	unsigned int i = 0;
	/* 删除定时器 */
	del_timer_sync(&imx6uirq.timer);	/* 删除定时器 */
		
	/* 释放中断 */
	for (i = 0; i < KEY_NUM; i++) {
		free_irq(imx6uirq.irqkeydesc[i].irqnum, &imx6uirq);
	}
	cdev_del(&imx6uirq.cdev);
	unregister_chrdev_region(imx6uirq.devid, IMX6UIRQ_CNT);
	device_destroy(imx6uirq.class, imx6uirq.devid);
	class_destroy(imx6uirq.class);
	printk("\r\n");
}

module_init(imx6uirq_init);
module_exit(imx6uirq_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("ht");

三、测试

#加载后
cat /proc/interrupts