中断是计算机中实现异步事件处理的一种关键机制。当中断发生时,CPU会暂停当前的任务,转去运行中断服务例程。中断处理完成后,CPU再返回到原来的任务。这使得中断处理具有很高的实时性和响应速度。在Linux内核中,充分利用了中断机制来响应各种硬件和软件事件。
在Linux操作系统中,中断的本质就是一个数字,要想使用中断,就是对这个数字进行操作,但是内核不允许直接操作这个数字,可以简介的通过函数进行操作,这个函数对中断进行一个转换,转换的对象就是引脚的编号,引脚的编号转换完成之后就可以得到一个中断号,用来进行操作。
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。
相关API函数
gpio_to_irq()
功能
通过gpio_to_irq函数将引脚编号转换为中断号,用于后续的操作
头文件
#include
原型
int gpio_to_irq(unsigned int gpio)
参数
unsigned int gpio 引脚编号
返回值
成功 中断号
失败 负数
enable_irq()
功能
使用enable_irq函数使能中断号,使得该中断可以被触发和处理
头文件
#include
原型
void enable_irq(unsigned int irq);
参数
unsigned int irq 中断号
返回值
无
disable_irq()
功能
失能中断号
头文件
#include
原型
void disable_irq(unsigned int irq);
参数
unsigned int irq 中断号
返回值
无
request_irq()
功能
使用request_irq函数向内核注册中断号,指定中断服务函数、中断的触发方式、中断的名字等参数
头文件
#include
原型
static inline int __must_check request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags, const char * name, void * dev)
参数
unsigned int irq, 中断号
irq_handler_t handler, typedefirqreturn_t (*irq_handler_t)(int, void *);
中断服务函数
unsigned long flags, 中断的触发的方式
IRQF_TRIGGER_RISING 上升沿
IRQF_TRIGGER_FALLING 下降沿
IRQF_TRIGGER_HIGH 高电平
IRQF_TRIGGER_LOW 低电平
const char *name, 中断的名字
void *dev 传给中断服务函数的参数 一般写 NULL
返回值
成功 0
失败 负数
free_irq()
功能
使用free_irq函数取消中断的注册,释放中断号和中断服务函数
头文件
#include
原型
void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id)
参数
undigned int irq 中断号
void *dev_id 跟注册中断的函数的最后一位保持一致
返回值
无
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。
- 当不再需要服务器托管网时,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,提高服务器托管网系统实时性。
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
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
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
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
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
总结
中断机制和等待队列在Linux内核中发挥着重要作用,它们的合理利用可以构建出高实时性和高效性的系统。中断编程涉及内核低层操作,需要谨慎处理,但掌握后可以大大提升系统的异步处理能力。
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