linux字符驱动之中断按键

ulppknot · 发表于 2020-4-15 10:33

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在上一节中，我们讲解了如何自动创建设备节点，实现一个查询方式的按键驱动。测试的时候，大家都看到了，使用查询式的方法，占用CPU的利用率高达99%，那么有没有好的办法来取代这惨不忍睹的方法呢？答案当然是有的。

这一节里，我们使用中断的方法来实现按键驱动。

问：内核的中断体系是怎么样的？

答：ARM架构linux内核中，有5种常见的异常，其中中断异常是其一，Linux内核将所有中断统一编号，使用一个irq_desc结构体来描述这些中断，里面记录了中断名称、中断状态、中断标记、并提供了中断的底层硬件访问函数（如：清除、屏蔽、使能中断），提供了这个中断的处理函数入口，通过它还可以调用用户注册的的中断处理函数。

问：irq_desc结构体有哪些重要的成员？

/**
* struct irq_desc - interrupt descriptor
* @irq:             interrupt number for this descriptor
* @handle_irq:             highlevel irq-events handler [if NULL, __do_IRQ()]
* @chip:             low level interrupt hardware access
* @action:             the irq action chain
* @status:             status information
* @irq_count:             stats field to detect stalled irqs
* @name:             flow handler name for /proc/interrupts output
*/
struct irq_desc {
      unsigned int             irq;
      ......
      irq_flow_handler_t       handle_irq;
      struct irq_chip             *chip;
      ......
      struct irqaction       *action;       /* IRQ action list */
      unsigned int             status;             /* IRQ status */
      ......
      unsigned int             irq_count;       /* For detecting broken IRQs */
      ......
      const char             *name;
} ____cacheline_internodealigned_in_smp;

关于irq_desc结构体的具体描述，请参考《嵌入式Linux应用完全开发手册》的第20章的20.2.1节，即416页开始的描述。关于linux中断体系的详细讲解，我就不多说了，大家参考韦老师的视频教程:
"第12课第4.1节.字符设备驱动程序之中断方式的按键驱动_Linux异常处理结构"

"第12课第4.2节.字符设备驱动程序之中断方式的按键驱动_Linux中断处理结构"

这二个视频，已经讲解的非常到位，如果还不理解的，大家可以参考韦老师的书的第20章内容。建议大家结合linux源码和书一起看，这样对你深入linux中断体系就不远了。

问：既然linux内核的中断体系已经那么完善了，那么驱动工程师还需要做什么？

答：驱动工程师需要调用request_irq向内核注册中断，其原型为：

request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags, const char * devname, void * dev_id)
第一个参数irq：中断号，在irqs.h中定义，与架构相关；
第二个参数handler:  用户中断处理函数；

第三个参数flags：中断标记；

第四个参数devname：中断名字；可以通过cat proc/interrupts查看；

第五个参数dev_id:  在free_irq中有用，也用作区分中断处理函数；

问：request_irq函数有什么作用？

答：

1）、irq_desc[irq]结构体中的action链表中已经链入了用户注册的中断处理函数。

2）、中断触发方式已经被设置好。

3）、中断已经被使能。

问：如何卸载中断处理函数？

答：中断是一种很稀缺的资源，当不再使用一个设备时，应该释放它占据的中断。驱动工程师通过free_irq函数来实现，其原型为：

void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id)

第一个参数irq：中断号，与request_irq中的irq一致，用于定位action链表；
第二个参数dev_id：用于在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，这就要求在注册共享中断时参数dev_id必须唯一。

问：free_irq有什么作用？

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

2）、如果它是唯一的表项，还要调用IRQ_DESC[IRQ].CHIP->SHUTDOWN或者IRQ_DESC[IRQ].CHIP->DISABLE来关闭中断。

前面说了那么多中断，暂且放下中断，来谈谈linux是如何睡觉的吧，睡觉？linux也会睡觉？没错，只不过在术语上不叫睡觉，人家那叫休眠。

问：linux内核如何进行休眠？

答：使用wait_event函数，其扩展型常用的函数为wait_event_interruptible(wq, condition)，即可被中断打断的休眠。

wq是一个等待队列，condition是条件，如果condition = 0，则将会进行休眠，直到condition = 1，并且有唤醒函数唤醒它。

问：linux内核如果唤醒进程？

答：使用wait_up函数，其扩展型常用的函数为wake_up_interruptible(wq)，wq与wait_event_interruptible的wq是一致的。

问：能直接使用wait_event_interruptible和wake_up_interruptible函数吗？

答：不能，必须先事先使用static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(wq)定义并初始化一个等待队列头，并设置condition条件变量。

详细请参考驱动源码：

#include <linux/delay.h>
#include <linux/irq.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/irq.h>
#include <asm/io.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/device.h>                //class_create
#include <mach/regs-gpio.h>             //S3C2410_GPF1
//#include <asm/arch/regs-gpio.h>
#include <mach/hardware.h>
//#include <asm/hardware.h>
#include <linux/interrupt.h>  //wait_event_interruptible

/* 定义并初始化等待队列头 */
static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(button_waitq);

static struct class *thirddrv_class;
static struct device *thirddrv_device;

static struct pin_desc{
      unsigned int pin;
      unsigned int key_val;
};

static struct pin_desc pins_desc[4] = {
            {S3C2410_GPF1,0x01},
            {S3C2410_GPF4,0x02},
            {S3C2410_GPF2,0x03},
            {S3C2410_GPF0,0x04},
};

static int ev_press = 0;

/* 键值: 按下时, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04 */
/* 键值: 松开时, 0x81, 0x82, 0x83, 0x84 */
static unsigned char key_val;
int major;

/* 用户中断处理函数 */
static irqreturn_t buttons_irq(int irq, void *dev_id)
{
      struct pin_desc *pindesc = (struct pin_desc *)dev_id;
      unsigned int pinval;
      pinval = s3c2410_gpio_getpin(pindesc->pin);

      if(pinval)
      {
            /* 松开 */
            key_val = 0x80 | (pindesc->key_val);
      }
      else
      {
            /* 按下 */
            key_val = pindesc->key_val;
      }

      ev_press = 1;                                                       /* 表示中断已经发生 */
      wake_up_interruptible(&button_waitq); /* 唤醒休眠的进程 */
      return IRQ_HANDLED;
}
static int third_drv_open(struct inode * inode, struct file * filp)
{
      /*  K1 ---- EINT1,K2 ---- EINT4,K3 ---- EINT2,K4 ---- EINT0
         *  配置GPF1、GPF4、GPF2、GPF0为相应的外部中断引脚
         *  IRQT_BOTHEDGE应该改为IRQ_TYPE_EDGE_BOTH
      */
      request_irq(IRQ_EINT1, buttons_irq, IRQ_TYPE_EDGE_BOTH, "K1",&pins_desc[0]);
      request_irq(IRQ_EINT4, buttons_irq, IRQ_TYPE_EDGE_BOTH, "K2",&pins_desc[1]);
      request_irq(IRQ_EINT2, buttons_irq, IRQ_TYPE_EDGE_BOTH, "K3",&pins_desc[2]);
      request_irq(IRQ_EINT0, buttons_irq, IRQ_TYPE_EDGE_BOTH, "K4",&pins_desc[3]);
      return 0;
}

static ssize_t third_drv_read(struct file *file, char __user *user, size_t size,loff_t *ppos)
{
      if (size != 1)
                     return -EINVAL;

      /* 当没有按键按下时，休眠。
      * 即ev_press = 0;
      * 当有按键按下时，发生中断，在中断处理函数会唤醒
      * 即ev_press = 1;
      * 唤醒后，接着继续将数据通过copy_to_user函数传递给应用程序
      */
      wait_event_interruptible(button_waitq, ev_press);
      copy_to_user(user, &key_val, 1);

      /* 将ev_press清零 */
      ev_press = 0;
      return 1;
}

static int third_drv_close(struct inode *inode, struct file *file)
{
      free_irq(IRQ_EINT1,&pins_desc[0]);
      free_irq(IRQ_EINT4,&pins_desc[1]);
      free_irq(IRQ_EINT2,&pins_desc[2]);
      free_irq(IRQ_EINT0,&pins_desc[3]);
      return 0;
}

/* File operations struct for character device */
static const struct file_operations third_drv_fops = {
      .owner             = THIS_MODULE,
      .open             = third_drv_open,
      .read             = third_drv_read,
      .release = third_drv_close,
};

/* 驱动入口函数 */
static int third_drv_init(void)
{
      /* 主设备号设置为0表示由系统自动分配主设备号 */
      major = register_chrdev(0, "third_drv", &third_drv_fops);

      /* 创建thirddrv类 */
      thirddrv_class = class_create(THIS_MODULE, "thirddrv");

      /* 在thirddrv类下创建buttons设备，供应用程序打开设备*/
      thirddrv_device = device_create(thirddrv_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "buttons");

      return 0;
}

/* 驱动出口函数 */
static void third_drv_exit(void)
{
      unregister_chrdev(major, "third_drv");
      device_unregister(thirddrv_device);  //卸载类下的设备
      class_destroy(thirddrv_class);             //卸载类
}

module_init(third_drv_init);  //用于修饰入口函数
module_exit(third_drv_exit);  //用于修饰出口函数

MODULE_AUTHOR("LWJ");
MODULE_DESCRIPTION("Just for Demon");
MODULE_LICENSE("GPL");  //遵循GPL协议

应用测试程序源码：

#include <stdio.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

/* third_test
*/
int main(int argc ,char *argv[])

{
      int fd;
      unsigned char key_val;

      fd = open("/dev/buttons",O_RDWR);
      if (fd < 0)
      {
            printf("open error\n");
      }

      while(1)
      {
            read(fd,&key_val,1);
            printf("key_val = 0x%x\n",key_val);

      }
      return 0;
}

测试步骤1：

[WJ2440]# ls
Qt          etc          mnt          second_drv.ko  udisk
TQLedtest    first_drv.ko opt          second_test usr
app_test    first_test    proc          sys          var
bin          home          root          third_drv.ko web
dev          lib          sbin          third_test
driver_test linuxrc       sddisk       tmp
[WJ2440]# ls /dev/buttons -l
ls: /dev/buttons: No such file or directory
[WJ2440]# insmod third_drv.ko
[WJ2440]# lsmod
third_drv 3016 0 - Live 0xbf003000
[WJ2440]# ls /dev/buttons -l
crw-rw---- 1 root    root    252, 0 Jan  2 02:12 /dev/buttons
[WJ2440]# ./third_test
key_val = 0x1
key_val = 0x81
key_val = 0x2
key_val = 0x82
key_val = 0x3
key_val = 0x83
key_val = 0x4
key_val = 0x84
key_val = 0x2
key_val = 0x2
key_val = 0x82
key_val = 0x1
key_val = 0x81
key_val = 0x2
key_val = 0x82
key_val = 0x2
key_val = 0x82
key_val = 0x4
key_val = 0x4
key_val = 0x4
key_val = 0x84

/* 键值: 按下时, 0x01, 0x02, 0x03, 0x04 */
/* 键值: 松开时, 0x81, 0x82, 0x83, 0x84 */

测试步骤2：

[WJ2440]# ./third_test &
[WJ2440]# top
Mem: 10912K used, 49252K free, 0K shrd, 0K buff, 8104K cached
CPU:  0.0% usr  0.7% sys  0.0% nic 99.0% idle  0.0% io  0.1% irq  0.0% sirq
Load average: 0.00 0.05 0.03 1/23 627
  PID  PPID USER    STAT VSZ %MEM CPU %CPU COMMAND
  627 589 root    R    2092  3.4 0  0.7 top
  589    1 root    S    2092  3.4 0  0.0 -/bin/sh
1    0 root    S    2088  3.4 0  0.0 init
  590    1 root    S    2088  3.4 0  0.0 /usr/sbin/telnetd -l /bin/login
  587    1 root    S    1508  2.5 0  0.0 EmbedSky_wdg
  626 589 root    S    1428  2.3 0  0.0 ./third_test
  573    2 root    SW<    0  0.0 0  0.0 [rpciod/0]
5    2 root    SW<    0  0.0 0  0.0 [khelper]
  329    2 root    SW<    0  0.0 0  0.0 [nfsiod]
2    0 root    SW<    0  0.0 0  0.0 [kthreadd]
3    2 root    SW<    0  0.0 0  0.0 [ksoftirqd/0]
4    2 root    SW<    0  0.0 0  0.0 [events/0]
11    2 root    SW<    0  0.0 0  0.0 [async/mgr]
  237    2 root    SW<    0  0.0 0  0.0 [kblockd/0]
  247    2 root    SW<    0  0.0 0  0.0 [khubd]
  254    2 root    SW<    0  0.0 0  0.0 [kmmcd]
  278    2 root    SW    0  0.0 0  0.0 [pdflush]
  279    2 root    SW    0  0.0 0  0.0 [pdflush]
  280    2 root    SW<    0  0.0 0  0.0 [kswapd0]
  325    2 root    SW<    0  0.0 0  0.0 [aio/0]

可发现，按键没有被按下时，third_test进程是处于睡眠状态的，并且几乎不占用CPU的利用率。

测试步骤3（如何卸载驱动）：

[WJ2440]# lsmod
third_drv 3016 2 - Live 0xbf003000
[WJ2440]# rmmod third_drv
rmmod: remove 'third_drv': Resource temporarily unavailable
[WJ2440]# kill -9 626
[1]+  Killed                   ./third_test
[WJ2440]# rmmod  third_drv
rmmod: module 'third_drv' not found
[WJ2440]# lsmod
[WJ2440]#

注意事项：
1.楼主在编译驱动的时候，发现linux的头文件经常因版本不一致，导致路径不一致，很是苦恼。

2.有些中断共享标记，如：IRQ_TYPE_EDGE_BOTH，在韦老师那里是IRQT_BOTHEDGE，又是版本害的。

3.楼主使用的linux版本是2.6.30.4

4.楼主在测试驱动时，发现居然没有任何信息打印出来，调试了20分钟，最后发现原来是printf没有加'\n'，哎，粗心大意啊！

CCxiaom · 发表于 2020-4-15 18:52

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