Linux设备驱动 -- 中断及延迟处理机制

中断基础知识

按中断来源分类：

• 内部中断
• 外部中断

按是否可屏蔽分类：

• 可屏蔽中断
• 不可屏蔽中断(NMI)

ARM多核处理器最常用的中断控制器：GIC(Gerneric Interrupt Controller)

SGI（Software Generated Interrupt）：软件产生的中断，可以用于多核的核间通信，一个CPU可以通过

写GIC的寄存器给另外一个CPU产生中断。多核调度用的IPI_WAKEUP、IPI_TIMER、

IPI_RESCHEDULE、IPI_CALLFUNC、IPI_CALLFUNCSINGLE、IPI_CPUSTOP、IPI_IRQWORK、

IPI_COMPLETION都是由SGI产生的。

PPI（Private Peripheral Interrupt）：某个CPU私有外设的中断，这类外设的中断只能发给绑定的那个

CPU。

SPI（Shared Peripheral Interrupt）：共享外设的中断，这类外设的中断可以路由到任何一个CPU。

intirq_set_affinity(unsignedint irq, conststruct cpumask *m); //SPI类型中断通过此函数设定中断触发的CPU核//默认情况下，中断都是由CPU0产生的irq_set_affinity(irq, cpumask_of(i));    //将中断irq设定到CPUi上

中断处理过程是关全局中断的，中断处理过程中是不能响应其他中断的，因为Linux内核是不允许中断嵌套的。

当系统中断很多的，系统延迟性就会很大（因此中断处理会关全局中断），为此linux系统将中断设计成上半部（顶半部）和下半部（底半部）

中断其实是一种异步的事件处理机制，可以提高系统的并发处理能力。

Linux中断处理机制

中断处理需要快进快出，为了在中断快进快出和中断任务量之间找到一个平衡点，Linux将中断处理程序分为两个部分：

• 顶半部
• 在真正的硬件中断服务函数中执行，一般是用于处理少而紧急的事情。顶半部一般被设计成不可被中断。
• 底半部
• 处理的中断大部分事情都是在底半部做的。底半部处理不是很紧急相对比较耗时的工作。可以其他中断打断。

Linux中断编程

1、申请中断

intrequest_irq(unsignedint irq, irq_handler_t handler, unsignedlong flags, constchar *name, void *dev);//申请中断//irq 要申请的硬件中断号//handler 向系统注册的中断处理函数,顶半部处理函数//flags中断处理属性，可以是以下值：//           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//如果flags参数设置了IRQF_SHARED，表示多个设备共享中断//dev 传递给中断服务函数handler的私有数据，一般为设备的设备结构体或者NULL//返回0表示成功，返回-EINVAL表示中断号无效或处理函数指针为NULL，返回-EBUSY表示中断已经被占用且不能共享#define IRQF_TRIGGER_NONE    0x00000000#define IRQF_TRIGGER_RISING    0x00000001#define IRQF_TRIGGER_FALLING    0x00000002#define IRQF_TRIGGER_HIGH    0x00000004#define IRQF_TRIGGER_LOW    0x00000008#define IRQF_TRIGGER_MASK    (IRQF_TRIGGER_HIGH | IRQF_TRIGGER_LOW | \                 IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING)#define IRQF_TRIGGER_PROBE    0x00000010

顶半部中断处理函数原型：

typedefirqreturn_t(*irq_handler_t)(int, void *);typedefintirqreturn_t;

2、释放中断

voidfree_irq(unsignedint irq,void *dev_id);

3、使能/屏蔽中断

voiddisable_irq(int irq); //等待中断处理完成voiddisable_irq_nosync(int irq);  //立即返回，不会等待中断处理完成voidenable_irq(int irq);    //使能中断

4、开/关所有中断

下面函数或宏以来CPU体系结构。

#define local_irq_save(flags) ...      //禁止中断宏voidlocal_irq_disable(void);          //禁止中断函数   #define local_irq_restore(flags) ...voidlocal_irq_enable(void);

底半部（延迟机制）实现

tasklet(小任务)

• tasklet是基于软中断(TASKLET_SOFTIRQ)实现的，因此也是运行于软中断上下文，不可睡眠。
• softirq只支持静态分配，tasket支持静动态分配可以很好扩充
• DECLARE_TASKLET(xxx_tasklet, xxx_tasklet_func, xxx_data); //定义一个名为xxx_tasklet的tasklet并绑定处理函数为xx_tasklet_func，传递给处理函数的数据xxx_data
• 在顶半部处理函数中在适当的时机调用tasklet_schedule(&xxx_tasklet)

使用模板：

voidxxx_tasklet_func(unsignedlong arg){}DECLARE_TASKLET(xxx_tasklet, xxx_tasklet_func, 0);//中断顶半部处理函数irqreturn_tirq_handler_t(int, void *){    ...    tasklet_schedule(&xxx_tasklet)        ...}

tasklet调度运行：

工作队列

• 用法与tasklet类似，当工作队列执行的上下文是内核线程，可以调度和睡眠。
• 运行在进程上下文
• 分为共享队列和专用工作队列；共享队列Linux内核已经定义好，由一组内核线程处理，每个内核线程运行在一个cpu内核上，由工作就会在已经定好的队列上排队运行；专用工作队列需要自己定义工作线程。

共享工作队列

structwork_structmy_wq;/*  定义一个工作队列  */voidmy_wq_func(struct work_struct *work);   /*  定义一个处理函数  */INIT_WORK(&my_wq, my_wq_func);/*  初始化工作队列并将其与处理函数绑定  */schedule_work(&my_wq);     /*  调度工作队列执行  */cancel_work_sync()      //取消work

• 使用模板和tasklet类似

专用工作队列

• 定义/初始化struct workqueue_struct

structworkqueue_struct *myqueue;myqueue = create_workqueue("my_workqueue");  // 为每个CPU创建线程 myqueue = create_singlethread_workqueue("my_workqueue");  // 仅创建一个全局线程 

• 定义工作项、工作函数

voidmy_work_handler(struct work_struct *work);structwork_structmy_work;INIT_WORK(&my_work, my_work_handler);  // 初始化工作项及处理函数voidmy_work_handler(struct work_struct *work){    printk(KERN_INFO "Work executed on CPU %d\n", smp_processor_id());    msleep(100);  // 运行在进程上下文，允许睡眠 }

• 提交任务到队列

queue_work(myqueue, &my_work);  // 将工作项添加到专用队列，立即执行// 延迟执行任务structdelayed_workmy_delayed_work;INIT_DELAYED_WORK(&my_delayed_work, my_delayed_handler);queue_delayed_work(myqueue, &my_delayed_work, msecs_to_jiffies(100));  // 延迟100ms执行 

工作队列的实现

2种工作队列的对比

softirq软中断

• include/linux/interrupt.h
• 传统的底半部处理机制，内核已经定义好，不能增加/删减
• 运行在原子上下文，性能好，预留给系统中对时间要求最为严格的下半部使用，目前只有块设备和网络子系统使用了软中断。
• 枚举定义了10个软中断：

enum{    HI_SOFTIRQ=0, //高优先级小任务软中断    TIMER_SOFTIRQ, //定时器软中断    NET_TX_SOFTIRQ, // 网络发送报文的软中断    NET_RX_SOFTIRQ, //网络接收报文软中断    BLOCK_SOFTIRQ,  //块设备软中断    IRQ_POLL_SOFTIRQ, //支持I/O轮询的块设备软中断    TASKLET_SOFTIRQ, // 低优先级小任务    SCHED_SOFTIRQ, // 调度软中断，用于在处理器之间负载均衡    HRTIMER_SOFTIRQ, /* 废弃，Unused, but kept as tools rely on the                numbering. Sigh! */    RCU_SOFTIRQ,  //RCU软中断  /* Preferable RCU should always be the last softirq */    NR_SOFTIRQS};

• 使用softirq_action结构体表征一个软中断

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

• open_softirq()函数注册软中断处理函数

externvoidopen_softirq(int nr, void (*action)(struct softirq_action *));   //nr为选择为上述枚举其中之一

• raise_softirq()函数触发软中断

externvoidraise_softirq(unsignedint nr);  

线程化irq(threaded_irq)

• 通过向内核申请新的内核线程来处理中断底半部，内核会为相应的中断号分配一个对应的内核线程。
• API函数原型：

request_thread_dirq(unsignedint irq, irqhandlert handler,irq_handler_t  thread_fn,unsignedlong flags, constchar *name, void *dev);devm_request_threaded_irq(struct device *dev, unsignedint irq,              irqhandlert handler, irq_handler_t thread_fn,unsignedlong irqflags, constchar *devname,void *devid);//handler函数执行于中断上下文，设置为NULL,内核将执行默认的处理函数//thread_fn函数为内核线程执行函数

用法和request_irq()相同，只是多了一个线程处理函数thread_fn， irqflags 支持设置 IRQF_ONESHOT，内核会在中断上下文屏蔽相应的中断，内核执行完线程thread_fn，会重新使能该中断。

禁止/使能软中断和tasklet的底半部机制的函数:

local_bh_disable()local_bh_enable()

softirq与tasklet的区别

1. 并行性与可重入性

• softirq：支持SMP并行执行，同一类型的softirq可以在不同CPU上同时运行，因此其处理函数必须是可重入的（需考虑并发安全问题）。例如，网络子系统使用softirq处理数据包收发，以支持高性能并发。
• tasklet：基于softirq实现，但同一类型的tasklet在任何时刻只能在一个CPU上串行执行，即使在不同CPU上调度，内核也会通过锁机制确保其原子性。这种设计简化了同步问题，但牺牲了并行性。

1. 注册与动态性

• softirq：属于静态分配机制，内核编译时预定义（如HI_SOFTIRQ、NET_TX_SOFTIRQ等），最多支持32种类型，开发者无法动态添加。
• tasklet：支持动态注册和注销，开发者可通过DECLARE_TASKLET或tasklet_init灵活定义，适用于模块化驱动开发]。

1. 执行上下文与调度时机

• 共同点：两者均在中断上下文运行，不可睡眠或阻塞，且执行时可能被硬中断打断。
• 调度差异：

softirq通过raise_softirq()触发，执行时机包括硬中断返回后和内核线程ksoftirqd唤醒时。tasklet通过tasklet_schedule()调度，最终依赖TASKLET_SOFTIRQ类型的softirq执行。4. 适用场景

• softirq：适用于高性能、高频率、需并行处理的场景（如网络数据包处理、定时器中断）]。缺点：开发复杂度高，需处理可重入性和同步问题。
• tasklet：适用于单CPU串行执行即可满足需求的任务（如设备驱动中的非关键延迟操作），开发更简单。缺点：并行能力弱，可能成为多核系统的性能瓶颈。

1. 同步机制

• softirq：需开发者自行处理并发问题（如使用自旋锁或原子操作），因为同类型softirq可能跨CPU并发执行。
• tasklet：内核通过tasklet_trylock()确保同一tasklet的串行执行，无需额外同步。

总结

软中断和tasklet都是工作于软中断上下文，属于原子上下文，不允许睡眠。

内核很多地方都采用了softirq，驱动编写者不会也不宜直接使用softirq。

工作队列工作于进程上下文，允许睡眠。

中断与设备树

include/linux/irq.h

//中断属性类型   类似STM32外部有低电平、高电平，上升沿or下降沿触发

enum {    IRQ_TYPE_NONE        = 0x00000000,    IRQ_TYPE_EDGE_RISING    = 0x00000001,    IRQ_TYPE_EDGE_FALLING    = 0x00000002,    IRQ_TYPE_EDGE_BOTH    = (IRQ_TYPE_EDGE_FALLING | IRQ_TYPE_EDGE_RISING),    IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH    = 0x00000004,    IRQ_TYPE_LEVEL_LOW    = 0x00000008,    IRQ_TYPE_LEVEL_MASK    = (IRQ_TYPE_LEVEL_LOW | IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH),    IRQ_TYPE_SENSE_MASK    = 0x0000000f,    IRQ_TYPE_DEFAULT    = IRQ_TYPE_SENSE_MASK,    IRQ_TYPE_PROBE        = 0x00000010,    IRQ_LEVEL        = (1 <<  8),    IRQ_PER_CPU        = (1 <<  9),    IRQ_NOPROBE        = (1 << 10),    IRQ_NOREQUEST        = (1 << 11),    IRQ_NOAUTOEN        = (1 << 12),    IRQ_NO_BALANCING    = (1 << 13),    IRQ_MOVE_PCNTXT        = (1 << 14),    IRQ_NESTED_THREAD    = (1 << 15),    IRQ_NOTHREAD        = (1 << 16),    IRQ_PER_CPU_DEVID    = (1 << 17),    IRQ_IS_POLLED        = (1 << 18),    IRQ_DISABLE_UNLAZY    = (1 << 19),};

使用中断的按键驱动设备树修改