设备驱动-10.中断子系统-4.1中断下半部使用-tasklet

1 tasklet引入

引入中断下半部介绍了硬件中断和软件中断，硬件中断有gpio中断，网卡，外部电路IP引起的中断，而软件中断则有定时器，tasklet这些为软件中断。cpu会先处理硬件中断，然后处理软件中断。

简单说可以认为内核中有一个数组softirq[], 里面有很多项，某一项对应timer，某一项表示tasklet, 每一项中都有一个.action函数，当内核处理完某一个硬件中断之后，处理软件中断时会找到对应的项，找到.action函数执行。

对于tasklet软件中断，它的.action函数对应tasklet_action,这个函数会从链表里取出每一个tasklet结构，执行里面的.func函数。

内核处理硬件中断的过程叫做中断上半部，处理软件中断的过程叫做中断下半部。上半部执行过程中，中断是禁止的，这里防止中断嵌套，也就是说来了更紧急的硬件中断，也要等这个上半部分处理完，上半部一般处理重要紧急事情。下半部执行过程中，中断是使能的，因此在下半部的处理过程它是可以响应其他中断。因此如果有不紧急但是耗时的事情放在下半部来处理，比如用tasklet。

2 tasklet是如何从从上半部调度到下半部分

如何使能或者说调度tasklet呢？它其实就是把一个tasklet放入到内核tasklet链表中，假如硬件中断服务函数func_A(), 软件中断中也就是下半部放入tasklet中断的服务函数为func_B(), 那么可以想象看A和B被调度的次数因该是多对1的关系，应为软件中断由于是使能中断的，因此func_A()对应的硬件又可能会产生硬件中断。

3 tasklet使用

3.1 初始化tasklet

3.1.0 tasklet结构体

struct tasklet_struct {
	struct tasklet_struct *next;//tasklet链表
	unsigned long state;//RUN表示正在运行，SCHED表示已被调度
	atomic_t count;//0表示处于激活状态，不为0表示该tasklet禁止，不允许执行
	void (*func)(unsigned long);//处理函数，等效softirq的action函数
	unsigned long data;
};

\include\linux\interrupt.h
state 有 2 位：

◼ bit0 表示 TASKLET_STATE_SCHED
等于 1 时表示已经执行了 tasklet_schedule 把该 tasklet 放入队列了；(等于1表示放入队列就绪了)
tasklet_schedule 会判断该位，如果已经等于 1 那么它就不会再次把tasklet 放入队列。
◼ bit1 表示 TASKLET_STATE_RUN
等于 1 时，表示正在运行 tasklet 中的 func 函数；函数执行完后内核会把该位清 0。

count 表示该 tasklet 是否使能：

等于 0 表示使能了，非 0 表示被禁止了。对于 count 非 0 的 tasklet，里面的 func 函数不会被执行

3.1.1 tasklet链表

struct tasklet_head {                            
    struct tasklet_struct *head;
    struct tasklet_struct **tail;
};

static DEFINE_PER_CPU(struct tasklet_head, tasklet_vec); //kernel/softirq.c
static DEFINE_PER_CPU(struct tasklet_head, tasklet_hi_vec);
//对应softirq的TASKLET_SOFTIRQ和HI_SOFTIRQ， 优先级分别为6和0

tasklet执行过程 TASKLET_SOFTIRQ对应执行函数为tasklet_action，HI_SOFTIRQ为tasklet_hi_action。

3.1.2 tasklet_init

extern void tasklet_init(struct tasklet_struct *t, void (*func)(unsigned long), unsigned long data);

3.1.3 DECLARE_TASKLET

DECLARE_TASKLET和DECLARE_TASKLET_DISABLED可以定义一个tasklet结构体。

//使用 DECLARE_TASKLET 定义的 tasklet 结构体，它是使能的；
//使用 DECLARE_TASKLET_DISABLED 定义的 tasklet 结构体，它是禁止的；使用之前要先调用 tasklet_enable 使能它。

3.2 使能/禁止 tasklet

static inline void tasklet_enable(struct tasklet_struct *t);
static inline void tasklet_disable(struct tasklet_struct *t);

3.3 调度tasklet

static inline void tasklet_schedule(struct tasklet_struct *t);

把 tasklet 放入链表，并且设置它的 TASKLET_STATE_SCHED 状态为1。tasklet_schedule 只是把 tasklet 放入内核队列，它的 func 函数会在软件中断的执行过程中被调用。

3.4 执行tasklet

对于 TASKLET_SOFTIRQ 类型的 softirq，其handler是 tasklet_action，可以看到软中断执行，硬件中断是使能的。执行对应的func函数。

3.5 tasklet_kill

void tasklet_kill(struct tasklet_struct *t)；

//如果一个 tasklet 未被调度， tasklet_kill 会把它的TASKLET_STATE_SCHED 状态清 0；
//如果一个 tasklet 已被调度，tasklet_kill 会等待它执行完华，再把它的TASKLET_STATE_SCHED 状态清 0。

通常在卸载驱动程序时调用 tasklet_kill。

4 tasklet代码示例解析

4.1 tasklet使用驱动源码

驱动代码

#include <linux/module.h>
#include <linux/poll.h>

#include <linux/fs.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/miscdevice.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/major.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/proc_fs.h>
#include <linux/seq_file.h>
#include <linux/stat.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/tty.h>
#include <linux/kmod.h>
#include <linux/gfp.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/of_gpio.h>
#include <linux/of_irq.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/irq.h>
#include <linux/slab.h>
#include <linux/fcntl.h>
#include <linux/timer.h>
struct gpio_key{
	int gpio;
	struct gpio_desc *gpiod;
	int flag;
	int irq;
	struct timer_list key_timer;
	struct tasklet_struct tasklet;
} ;
static struct gpio_key *gpio_keys_100ask;
static int major = 0;
static struct class *gpio_key_class;

#define BUF_LEN 128
static int g_keys[BUF_LEN];
static int r, w;
struct fasync_struct *button_fasync;

#define NEXT_POS(x) ((x+1) % BUF_LEN)

static int is_key_buf_empty(void){
	return (r == w);
}

static int is_key_buf_full(void){
	return (r == NEXT_POS(w));
}

static void put_key(int key){
	if (!is_key_buf_full()){
		g_keys[w] = key;
		w = NEXT_POS(w);
	}
}

static int get_key(void){
	int key = 0;
	if (!is_key_buf_empty()){
		key = g_keys[r];
		r = NEXT_POS(r);
	}
	return key;
}

static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(gpio_key_wait);

static void key_timer_expire(unsigned long data){
	/* data ==> gpio */
	struct gpio_key *gpio_key = data;
	int val;
	int key;

	val = gpiod_get_value(gpio_key->gpiod);

	printk("key_timer_expire key %d %d\n", gpio_key->gpio, val);
	key = (gpio_key->gpio << 8) | val;
	put_key(key);
	wake_up_interruptible(&gpio_key_wait);
	kill_fasync(&button_fasync, SIGIO, POLL_IN);
}

static void key_tasklet_func(unsigned long data){
	/* data ==> gpio */
	struct gpio_key *gpio_key = data;
	int val;
	int key;

	val = gpiod_get_value(gpio_key->gpiod);
	printk("key_tasklet_func key %d %d\n", gpio_key->gpio, val);
}

static ssize_t gpio_key_drv_read (struct file *file, char __user *buf, size_t size, loff_t *offset){
	int err;
	int key;
	if (is_key_buf_empty() && (file->f_flags & O_NONBLOCK))
		return -EAGAIN;
	wait_event_interruptible(gpio_key_wait, !is_key_buf_empty());
	key = get_key();
	err = copy_to_user(buf, &key, 4);
	return 4;
}

static unsigned int gpio_key_drv_poll(struct file *fp, poll_table * wait){
	poll_wait(fp, &gpio_key_wait, wait);
	return is_key_buf_empty() ? 0 : POLLIN | POLLRDNORM;
}

static int gpio_key_drv_fasync(int fd, struct file *file, int on){
	if (fasync_helper(fd, file, on, &button_fasync) >= 0)
		return 0;
	else
		return -EIO;
}

static struct file_operations gpio_key_drv = {
	.owner	 = THIS_MODULE,
	.read    = gpio_key_drv_read,
	.poll    = gpio_key_drv_poll,
	.fasync  = gpio_key_drv_fasync,
};
static irqreturn_t gpio_key_isr(int irq, void *dev_id)
{
	struct gpio_key *gpio_key = dev_id;
	tasklet_schedule(&gpio_key->tasklet);
	mod_timer(&gpio_key->key_timer, jiffies + HZ/50);
	return IRQ_HANDLED;
}

static int gpio_key_probe(struct platform_device *pdev){
	int err;
	struct device_node *node = pdev->dev.of_node;
	int count;
	int i;
	enum of_gpio_flags flag;

	count = of_gpio_count(node);
	if (!count){
		printk("%s %s line %d, there isn't any gpio available\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
		return -1;
	}

	gpio_keys_100ask = kzalloc(sizeof(struct gpio_key) * count, GFP_KERNEL);
	for (i = 0; i < count; i++){		
		gpio_keys_100ask[i].gpio = of_get_gpio_flags(node, i, &flag);
		if (gpio_keys_100ask[i].gpio < 0){
			printk("%s %s line %d, of_get_gpio_flags fail\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
			return -1;
		}
		gpio_keys_100ask[i].gpiod = gpio_to_desc(gpio_keys_100ask[i].gpio);
		gpio_keys_100ask[i].flag = flag & OF_GPIO_ACTIVE_LOW;
		gpio_keys_100ask[i].irq  = gpio_to_irq(gpio_keys_100ask[i].gpio);

		setup_timer(&gpio_keys_100ask[i].key_timer, key_timer_expire, &gpio_keys_100ask[i]);
		gpio_keys_100ask[i].key_timer.expires = ~0;
		add_timer(&gpio_keys_100ask[i].key_timer);

		tasklet_init(&gpio_keys_100ask[i].tasklet, key_tasklet_func, &gpio_keys_100ask[i]);
	}

	for (i = 0; i < count; i++){
		err = request_irq(gpio_keys_100ask[i].irq, gpio_key_isr
		, IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING, "100ask_gpio_key", &gpio_keys_100ask[i]);
	}

	major = register_chrdev(0, "100ask_gpio_key", &gpio_key_drv); 
	gpio_key_class = class_create(THIS_MODULE, "100ask_gpio_key_class");
	if (IS_ERR(gpio_key_class)) {
		printk("%s %s line %d\n", __FILE__, __FUNCTION__, __LINE__);
		unregister_chrdev(major, "100ask_gpio_key");
		return PTR_ERR(gpio_key_class);
	}
	device_create(gpio_key_class, NULL, MKDEV(major, 0), NULL, "100ask_gpio_key");  
    return 0;  
}
static int gpio_key_remove(struct platform_device *pdev){
	struct device_node *node = pdev->dev.of_node;
	int count;
	int i;

	device_destroy(gpio_key_class, MKDEV(major, 0));
	class_destroy(gpio_key_class);
	unregister_chrdev(major, "100ask_gpio_key");
	count = of_gpio_count(node);
	for (i = 0; i < count; i++){
		free_irq(gpio_keys_100ask[i].irq, &gpio_keys_100ask[i]);
		del_timer(&gpio_keys_100ask[i].key_timer);
		tasklet_kill(&gpio_keys_100ask[i].tasklet);
	}
	kfree(gpio_keys_100ask);
    return 0;
}
static const struct of_device_id ask100_keys[] = {
    { .compatible = "100ask,gpio_key" },
    { },
};
static struct platform_driver gpio_keys_driver = {
    .probe      = gpio_key_probe,
    .remove     = gpio_key_remove,
    .driver     = {
        .name   = "100ask_gpio_key",
        .of_match_table = ask100_keys,
    },
};
static int __init gpio_key_init(void){
    return platform_driver_register(&gpio_keys_driver); 
}

static void __exit gpio_key_exit(void){
    platform_driver_unregister(&gpio_keys_driver);
}
module_init(gpio_key_init);
module_exit(gpio_key_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");

用户态测试代码

#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <poll.h>
#include <signal.h>
static int fd;
/*
 * ./button_test /dev/100ask_button0
 *
 */
int main(int argc, char **argv){
	int val;
	struct pollfd fds[1];
	int timeout_ms = 5000;
	int ret;
	int	flags;
	int i;

	if (argc != 2) {
		printf("Usage: %s <dev>\n", argv[0]);
		return -1;
	}
	fd = open(argv[1], O_RDWR | O_NONBLOCK);
	if (fd == -1){
		printf("can not open file %s\n", argv[1]);
		return -1;
	}

	for (i = 0; i < 10; i++) {
		if (read(fd, &val, 4) == 4)
			printf("get button: 0x%x\n", val);
		else
			printf("get button: -1\n");
	}
	flags = fcntl(fd, F_GETFL);
	fcntl(fd, F_SETFL, flags & ~O_NONBLOCK);
	while (1){
		if (read(fd, &val, 4) == 4)
			printf("get button: 0x%x\n", val);
		else
			printf("while get button: -1\n");
	}
	close(fd);
	return 0;
}

4.2 分析

probe函数中为每一个gpio按键都创建一个tasklet。


当按键按下，中断服务执行，那么此时需要调度tasklet去完成中断下半部的事情，每当一个按键按下，就会执行一次tasklet里面的函数，也就是key_tasklet_func


根据不同的gpio带来不同的data，这里key_tasklet_func下半部分只是简单打印出对应哪一个gpio，输出什么电平。
最终驱动卸载时调用tasklet_kill。

5 tasklet内部机制剖析

5.1 tasklet_action的执行过程

tasklet属于TASKLET_SOFTIRQ软件中断，入口函数为tasklet_action，这在内核 kernel\softirq.c 中设置:

当驱动程序调用 tasklet_schedule 时，会设置 tasklet 的state为TASKLET_STATE_SCHED，并把它放入内核tasklet链表:

触发TASKLET_SOFTIRQ 软件中断，会调用 tasklet_action 函数，遍历tasklet 链表，进行状态判断后执行 .func
函数，从队列中删除 tasklet。
可以看出：

1.tasklet_schedule 调度 tasklet 时，其中的函数并不会立刻执行，而只是把tasklet 放入队列
2.调用一次 tasklet_schedule，只会导致 tasklet 的函数被执行一次；如果 tasklet 的函数尚未执行，多次调用 tasklet_schedule 也是无效的，只会放入队列一次，TASKLET_STATE_SCHED状态会自行判断。

最终tasklet中的func执行要看tasklet_action的过程分析：

首先从链表中取出每一项tasklet, 读取count, 如果等于0表示有使能该tasklet, 清除TASKLET_STATE_SCHED位，并且执行t->func，执行完该task中的func后从链表取出并且删除掉。