作 者：道哥，10+年嵌入式開發老兵，專注於：C/C++、嵌入式、Linux。
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別人的經驗，我們的階梯！
大家好，我是道哥，今天我為大夥兒解說的技術知識點是：【Linux 中斷的註冊和處理】。
在前兩篇文章中，描述的是在應用層如何呼叫驅動函式來控制GPIO，以及在驅動中如何傳送傳送訊號給應用層。
假如存在這樣一個需求：應用程式需要監控某個硬體GPIO口的電平狀態，當發生變化時，應用程式就做出相應的動作。
利用之前已經介紹的知識，是可以完成這個需求的。
比如：在驅動程式中不停的讀取GPIO口的狀態，一旦發生變化，就把新的電平狀態通過訊號傳送到應用層。
這樣的方式稱作:輪詢。
輪詢方式的缺點顯而易見：輪詢的時間間隔應該是多少毫秒(or 微秒)，才比較合適呢？
輪詢太慢：可能會丟失訊號；輪詢太快：消耗 CPU 資源！
因此，在實際的產品中，用中斷觸發的方式才是更切合實際的選擇！
本文所有的描述和測試，都是在 x86 平臺上完成的;
Linux 中斷的知識點梳理
中斷的分類
Linux 的版本在持續更新，對中斷的處理方式也在不停的發生變化。
下面幾張圖，是以前在學習時畫的思維導圖。
這幾張圖比較清晰地描述了在Linux作業系統中，關於中斷的一些基本概念。
這張圖的結構還是比較清晰的，基本上概括了Linux系統中的中斷分類。
另外，在很多關於中斷的書籍中，大部分都是從基礎的 PIC(可程式設計中斷控制器)開始講解的。
如果您想非常具體、專業、深入的瞭解關於中斷的相關內容，有一篇文章《Interrupt in Linux.pdf》講得非常好(文章的後面部分我也沒有看懂)。
在文末有下載連結，感興趣的小夥伴可以學習一下。
中斷號和中斷向量
這張圖只要記住中斷號與中斷向量的關係就可以了：
中斷號與中斷控制器(PIC/APIC)相關;
中斷向量與 CPU 相關，用來查詢中斷處理函式的入口地址;
中斷服務例程 ISR
中斷服務程式，就是針對每一箇中斷如何進行處理。
如果您瞭解Linux中斷的相關內容，一定會看到這樣的描述：中斷處理分為上半部分和下半部分。
上半部分不能消耗太多的時間，主要處理與硬體相關的重要工作；其他不重要的工作，都放在下半部分去做。
從上面這張圖中可以看出，用來完成下半部分工作有好幾種機制可以選擇，每一種方式都是針對不同的需求場景。
在每一種下半部分機制中，Linux都設計了非常方便的介面函式。
作為開發者的我們來說，使用這些下半部分的機制很簡單，只需要幾個函式呼叫即可。
例如：如果使用工作佇列來實現下半部分的工作，只需要2步動作：
1. 定義處理函式
static struct work_struct mywork;
static void mywork_handler(struct work_struct *work)
{
printk("This is myword_handler...\n");
}
2. 在中斷處理函式中，註冊註冊函式
INIT_WORK(&mywork, mywork_handler);
schedule_work(&mywork);
下面幾張圖，是針對每一種“下半部分”處理機制的一些特點，注意：有些機制在新版本中已經廢棄不用了，瞭解即可。
中斷處理的註冊和登出 API
所謂的中斷註冊，就是告訴作業系統：我對哪個中斷感興趣。
當這些中斷髮生的時候，請通知我。通知的方式就是：呼叫一個預先註冊好的回撥函式。
驅動程式可以通過函式 request_irq()，向作業系統註冊，並且啟用指定的中斷線：
int request_irq(unsigned int irq,
irq_handler_t handler,
unsigned long flags,
const char *devname,
void *dev_id);
引數說明:
irq: 申請的硬體中斷號;
handler: 中斷處理函式。一旦中斷髮生，這個函式就被呼叫;
flags: 中斷的屬性，例如：IRQF_DISABLED，IRQF_TIMER，IRQF_SHARED;
devname: 中斷驅動程式的名稱，在 /proc/interrupts 檔案中看到對應的內容;
dev_id: 中斷程式的唯一標識，比如：在共享中斷中，可以用來區分不同的中斷處理程式;
驅動程式通過函式 free_irq()，向作業系統登出一箇中斷處理函式：
void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);
引數說明:
irq: 硬體中斷號;
dev_id: 中斷程式的唯一標識;
實操：捕獲鍵盤中斷
示例程式碼
有了上面的知識鋪墊，下面就來實操一下，實現的功能是：
捕獲鍵盤的中斷，在中斷處理函式中，列印出按鍵的掃描碼，如果是 ESC 鍵被按下，就列印出指定的資訊。
與往常一樣，操作的目錄位於： tmp/linux-4.15/drivers 目錄下。
$ mkdir my_driver_interrupt
$ touch driver_interrupt.c
檔案內容：
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/interrupt.h>
// 中斷號
static int irq;
// 驅動程式名稱
static char * devname;
// 用來接收載入驅動模組時傳入的引數
module_param(irq, int, 0644);
module_param(devname, charp, 0644);
// 定義驅動程式的 ID，在中斷處理函式中用來判斷是否需要處理
#define MY_DEV_ID 1211
// 驅動程式資料結構
struct myirq
{
int devid;
};
// 儲存驅動程式的所有資訊
struct myirq mydev ={ MY_DEV_ID };
// 鍵盤相關的 IO 埠
#define KBD_DATA_REG 0x60
#define KBD_STATUS_REG 0x64
#define KBD_SCANCODE_MASK 0x7f
#define KBD_STATUS_MASK 0x80
// 中斷處理函式
static irqreturn_t myirq_handler(int irq, void * dev)
{
struct myirq mydev;
unsigned char key_code;
mydev = *(struct myirq*)dev;
// 檢查裝置 id，只有當相等的時候才需要處理
if (MY_DEV_ID == mydev.devid)
{
// 讀取鍵盤掃描碼
key_code = inb(KBD_DATA_REG);
/* 這裡如果放開，每次按鍵都會列印出很多資訊
printk("key_code: %x %s\n",
key_code & KBD_SCANCODE_MASK,
key_code & KBD_STATUS_MASK ? "released" : "pressed");
*/
// 判斷：是否為 ESC 鍵
if (key_code == 0x01)
{
printk("EXC key is pressed! \n");
}
}
return IRQ_HANDLED;
}
// 驅動模組初始化函式
static int __init myirq_init(void)
{
printk("myirq_init is called. \n");
// 註冊中斷處理函式
if(request_irq(irq, myirq_handler, IRQF_SHARED, devname, &mydev)!=0)
{
printk("register irq[%d] handler failed. \n", irq);
return -1;
}
printk("register irq[%d] handler success. \n", irq);
return 0;
}
// 驅動模組退出函式
static void __exit myirq_exit(void)
{
printk("myirq_exit is called. \n");
// 登出中斷處理函式
free_irq(irq, &mydev);
}
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(myirq_init);
module_exit(myirq_exit);
上面的程式碼，有兩個小的知識點。
向驅動程式傳參
示例程式碼中，在呼叫 request_irq 時，需要指定中斷號和驅動程式的名稱。
這兩個引數是在載入驅動模組的時候，從命令列傳入的。
在驅動程式中，通過下面兩行程式碼即可實現引數的接收：
module_param(irq, int, 0644);
module_param(devname, charp, 0644);
module_param 是一個巨集定義，定義在 include/linux/moduleparam.h 檔案中，具體定義如下：
#define module_param(name, type, perm)
module_param_named(name, name, type, perm);
name: 儲存引數的變數名;
type: 變數的型別;
perm: 訪問引數的許可權，表示此引數在sysfs檔案系統中所對應的檔案節點的屬性;
IO地址：IO埠和IO記憶體
這是讀取 IO 外設的兩種不同方式。
IO 埠有兩種編址方式：統一編址和獨立編址。
統一編制
把主存單元所在的地址空間，劃出一部分出來，專門用來把IO外設暫存器的地址對映到這部分劃出來的地址空間中。
統一編址的好處是：讀取IO外設的時候，就好像讀取普通的記憶體地址空間中的資料一樣。
獨立編址
IO 外設的地址空間，與主存單元的地址空間是兩個獨立的地址空間，此時，IO地址一般稱作: IO埠。
我們在讀寫IO外設的時候，從這些 “IO埠” 中讀寫就可以了。不同的外設，被分配了不同的 IO 埠號。
CPU 提供了一些列函式來讀寫 IO 埠，例如：
// 讀寫一個位元組
unsigned inb(unsigned port);
void outb(unsigned char byte, unsigned port);
// 讀寫一個字
unsigned inw(unsigned port);
void outw(unsigned short word, unsigned port);
編譯、驗證
編譯驅動模組：
$ make
輸出檔案：driver_interrupt.ko
因為我們捕獲的是鍵盤中斷(中斷號：1)，先看一下在載入驅動模組之前的中斷驅動程式 head /proc/interrupts：
可以把 demsg 的輸出也清理一下：dmesg -c
執行下面指令來載入驅動模組(傳遞2個引數)：
insmod driver_interrupt.ko irq=1 devname=myirq
再次執行一下指令 head /proc/interrupts 檢視驅動程式：
在中斷號 1 的右側，是不是看到了我們的驅動程式：my_irq？
再來看一下 dmesg 的輸出資訊：
成功註冊了中斷號1的處理函式！
此時，按幾次鍵盤左上角的 ESC 鍵，然後再檢視 dmesg 的輸出資訊：
以上，就是最簡單的中斷註冊和相應的中斷處理函式！
在實際的專案中，如果要把中斷資訊通知到應用層，可以通過上一篇文章介紹的傳送訊號來實現，或者通過其他的回撥機制也可以。
下一篇文章，我們在這個示例程式碼上進行擴充套件，看一下：中斷處理中每一個“下半部分”機制應該如何程式設計。
文中的測試程式碼和相關文件，已經放在網盤了。
在公眾號【IOT物聯網小鎮】後臺回覆關鍵字：1212，即可獲取下載地址。
強烈建議您看一下網盤裡的這篇文件：《Interrupt in Linux.pdf》，一定有很大收穫！
謝謝！
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