1.字符设备驱动------Linux中断处理体系结构
一、中断处理体系结构的初始化
Linux内核将所有的中断统一编号，使用一个irq_desc结构数组来描述这些中断;每个数组项对应一个中断，也可能是一组中断，它们共用相同的中断号，里面记录了中断的名称、中断状态、中断标记（比如中断类型、是否共享中断等），并提供了中断的低层硬件访问函数（清除、屏蔽、使能中断），提供了这个中断的处理函数入口，通过它可以调用用户注册的中断处理函数。
1.先了解中断处理体系结构
通过irq_desc结构数组就可以了解中断处理体系结构，irq_desc结构的数据类型include/linux/irq.h中定义，如下
1 struct irq_desc { 2 unsigned int irq; 3 struct timer_rand_state *timer_rand_state; 4 unsigned int *kstat_irqs; 5 #ifdef CONFIG_INTR_REMAP 6 struct irq_2_iommu *irq_2_iommu; 7 #endif 8 irq_flow_handler_t handle_irq; // 当前中断的处理函数入口 9 10 struct irq_chip *chip; //低层的硬件访问 11 12 struct msi_desc *msi_desc; 13 void *handler_data; 14 void *chip_data; 15 struct irqaction *action; // 用户提供的中断处理函数链表 16 17 unsigned int status; //IRQ状态 18 ........ 19 20 const char *name; //中断的名称 21 22 } ____cacheline_internodealigned_in_smp;
第8行：handle_irq是这个或这组中断的处理函数入口。发生中断时，总入口函数asm_do_IRQ将根据中断号调用相应irq_desc数组项中handle_irq. handle_irq使用chip结构中的函数清除、屏蔽或者重新使能中断，还要调用用户在action链表中注册的中断处理函数。
1 asmlinkage void __exception asm_do_IRQ(unsigned int irq, struct pt_regs *regs) 2 { 3 struct pt_regs *old_regs = set_irq_regs(regs); 4 struct irq_desc *desc = irq_desc + irq; 5 6 /* 7 * Some hardware gives randomly wrong interrupts. Rather 8 * than crashing, do something sensible. 9 */ 10 if (irq >= NR_IRQS) 11 desc = &bad_irq_desc; 12 13 irq_enter(); 14 15 desc_handle_irq(irq, desc); 16 17 /* AT91 specific workaround */ 18 irq_finish(irq); 19 20 irq_exit(); 21 set_irq_regs(old_regs); 22 }
irq_desc是中断函数处理的数组,最终处理在desc_handle_irq(irq, desc); desc是中断全局数组,irq中断号
1 static inline void desc_handle_irq(unsigned int irq, struct irq_desc *desc) 2 { 3 desc->handle_irq(irq, desc); 4 }
irq_chip结构类型也是在include/linux/irq.h中定义，其中的成员大多用于操作底层硬件，比如设置寄存器以屏蔽中断，使能中断，清除中断等。
1 struct irq_chip { 2 const char *name; 3 unsigned int (*startup)(unsigned int irq);//启动中断，如果不设置，缺省为“enable 4 void (*shutdown)(unsigned int irq);/*关闭中断，如果不设置，缺省为"disable"*/ 5 void (*enable)(unsigned int irq); // 使用中断，如果不设置，缺省为"unmask" 6 void (*disable)(unsigned int irq);//禁止中断，如果不设置，缺省为“mask” 7 void (*ack)(unsigned int irq); /*响应中断，通常是清除当前中断使得可以接收下一个中断*/ 8 void (*mask)(unsigned int irq); //屏蔽中断源 9 10 void (*mask_ack)(unsigned int irq);//屏蔽和响应中断 11 12 void (*unmask)(unsigned int irq);//开启中断源 13 14 void (*eoi)(unsigned int irq); 15 ........ 16 const char *typename; 17 };
irq_desc结构中的irqaction结构类型在include/linux/iterrupt.h中定义。用户注册的每个中断处理函数用一个irqaction结构来表示，一个中断比如共享中断可以有多个处理函数，它们的 irqaction 结构链接成一个链表，以action为表头。irqation结构定义如下
1 struct irqaction { 2 irq_handler_t handler; //用户注册的中断处理函数 3 unsigned long flags; //中断标志，比如是否共享中断，电平触发还是边沿触发 4 const char *name; //用户注册的中断名字 5 void *dev_id; //用户传给上面的handler的参数，还可以用来区分共享中断 6 struct irqaction *next; //指向下一个用户注册函数的指针 7 int irq; //中断号 8 struct proc_dir_entry *dir; 9 };
irq_desc结构数组、它的成员“struct irq_chip *chip” "struct irqaction *action",这3种数据结构构成了中断处理体系的框架。
下图中描述了Linxu中断处理体系结构的关系图：
irq_desc结构数组：每个数组项用来描述一个中断
中断总入口函数asm_do_IRQ 根据中断号调用里面的handle_irq 成员，handle_irq使用chip结构中的函数清除、屏蔽或者重新使能中断，
还要调用用户在action链表中注册的中断处理函数。
中断处理流程如下：
(1)发生中断时，CPU执行异常向量vector_irq的代码
(2)在vector_irq里面，最终会调用中断处理的总入口函数asm_do_IRQ
(3)asm_do_IRQ根据中断号调用irq_desc数组项中的handle_irq。
(4)handle_irq会使用chip成员中的函数来设置硬件，比如清除中断、禁止中断、重新使能中断等
(5)handle_irq逐个调用用户在aciton链表中注册的处理函数
可见， 中断体系结构的初始化就是构造这些数据结构，比如irq_desc数组项中的handle_irq、chip等成员；用户注册中断时就是构造action链表；用户卸载中断时就是从action链 表中去除不需要的项。
2. 中断体系结构的初始化
init_IRQ函数被用来初始化中断处理体系结构，代码在arch/arm/kernel/irq.c中
1 void __init init_IRQ(void) 2 { 3 int irq; 4 5 for (irq = 0; irq < NR_IRQS; irq++) 6 irq_desc[irq].status |= IRQ_NOREQUEST | IRQ_NOPROBE; 7 ...... 8 init_arch_irq(); 9 }
第5~6行 初始化irq_desc结构数组中每一项的中断状态
第8行调用架构相关的中断初始化函数。对于S3C2440开发板，这个函数就是s3c24xx_init_irq,移植machine_desc结构中的init_irq成员就指向这个函数
s3c24xx_init_irq函数在arch/arm/plat-s3c24xx/irq.c中定义，它为所有中断设置了芯片相关的数据结构（irq_desc[irq].chip），设置了处理函数入口（irq_desc[irq].handle_irq）。以外部中断EINT4-EINT23为例，用来设置它们的代码如下：
1 void __init s3c24xx_init_irq(void) 2 { 3 .... 4 5 case IRQ_UART2: 6 case IRQ_ADCPARENT: 7 set_irq_chip(irqno, &s3c_irq_level_chip); 8 set_irq_handler(irqno, handle_level_irq); 9 break; 10 11 case IRQ_RESERVED6: 12 case IRQ_RESERVED24: 13 /* no IRQ here */ 14 break; 15 16 .... 17 set_irq_chained_handler(IRQ_EINT4t7, s3c_irq_demux_extint4t7); 18 19 ... /*设置外部中断EINT4-EINT23*/ 20 for (irqno = IRQ_EINT4; irqno <= IRQ_EINT23; irqno++) { 21 irqdbf("registering irq %d (extended s3c irq)\n", irqno); 22 set_irq_chip(irqno, &s3c_irqext_chip); 23 set_irq_handler(irqno, handle_edge_irq); ..............设置中断handler 24 set_irq_flags(irqno, IRQF_VALID); 25 }
在22行set_irq_chip函数的作用就是“irq_desc[irno].chip = &s3c_irqext_chip”,以后就可能通过irq_desc[irqno].chip结构中的函数指针设置这些外部中断的触发方式（电平触发，边沿触发），使能中断，禁止中断。
在23行设置这些中断的处理函数入口为handle_edge_irq，即“irq_desc[irqno].handle_irq =handle_edge_irq”.发生中断时，handle_edge_irq函数会调用用户注册的具体处理函数； 在24行设置中断标志为“IRQF_VALID”，表示可以使用它们。init_IRQ函数执行完后，irq_desc数组项的chip,handl_irq成员就都被设置好了。
二、用户注册中断处理函数的过程
用户驱动程序通过request_irq函数向内核注册中断处理函数，request_irq函数根据中断号找到irq_desc数组项，然后在它的action链表添加一个表项。原先的内核中requset_irq函数在kernel/irq/manage.c中定义
irq:中断号
handler：处理函数
irqflags:上升沿触发，下降沿触发，边沿触发等。指定了快速中断或中断共享等中断处理属性.
*devname：中断名字。通常是设备驱动程序的名称。改值用在 /proc/interrupt 系统 (虚拟)
文件上，或内核发生中断错误时使用。
dev_id 可作为共享中断时的中断区别参数，也可以用来指定中断服务函数需要参考的数据地址。也用于卸载action
1 int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, 2 unsigned long irqflags, const char *devname, void *dev_id) 3 { 4 struct irqaction *action; 5 int retval; 6 7 ...... 8 if ((irqflags & IRQF_SHARED) && !dev_id) 9 return -EINVAL; 10 ...... 11 if (!handler) 12 return -EINVAL; 13 14 action = kmalloc(sizeof(struct irqaction), GFP_ATOMIC); 15 if (!action) 16 return -ENOMEM; 17 18 action->handler = handler; 19 action->flags = irqflags; 20 cpus_clear(action->mask); 21 action->name = devname; 22 action->next = NULL; 23 action->dev_id = dev_id; 24 25 select_smp_affinity(irq); 26 ...... 27 retval = setup_irq(irq, action); 28 ...... 29 }
requset_threaded_irq函数首先使用这4个参数构造一个irqaction结构，然后调用setup_irq函数将它链入链表中，
setup_irq函数也是在kernel/irq.manage.c中定义，它完成如下3个主要功能
（1）将新建的irqaction结构链入irq_desc[irq]结构的action链表中，这有两种可能。
1.如果action链表为空，则直接链入,
2.否则先判断新建的irqaction结构和链表中的irqaction结构所表示的中断类型是否一致，即是否都声明为"可共享的"（IRQF_SHARED)、是否都使用相同的触发方式，如果一致，则将新建的irqation结构链入
（2）设置irq_desc[irq]结构中chip成员的还没设置的指针，让它们指向一些默认函数
chip成员在init_IRQ函数初始化中断体系结构的时候已经设置了，这里只是设置其中还没设置的指针
这通过irq_chip_set_defaults函数来完成，它在kernel/irq/chip.c中定义
1 void irq_chip_set_defaults(struct irq_chip *chip) 2 { 3 if (!chip->enable) 4 chip->enable = default_enable;//调用chip->unmask 5 if (!chip->disable) 6 chip->disable = default_disable;//此函数为空 7 if (!chip->startup) 8 chip->startup = default_startup;//调用chip->enable 9 if (!chip->shutdown) 10 chip->shutdown = chip->disable；12 if (!chip->name) 13 chip->name = chip->typename; 14 if (!chip->end) 15 chip->end = dummy_irq_chip.end; 16 }
（3）启动中断
如果irq_desc[irq]结构中status成员没有被指明IRQ_NOAUTOEN（表示注册中断时不要使用中断），还要调用chip->startup或chip->enable来启动中断，所谓启动中断通常就是使用中断。一般情况下，只有那些“可以自动使能的”中断对应的irq_desc[irq].status才会被指明为IRQ_NOAUTOEN，所以，无论哪种情况，执行request_irq注册中断之后，这个中断就已经被使能了。
总结一下request_irq函数注册中断后的“成果”
(1)irq_des[irq]结构中的action链表中已经链入了用户注册的中断处理函数
(2)中断的触发方式已经被设好
(3)中断已经被使能
总之，执行requset_irq函数之后，中断就可以发生并能被处理了
三、中断处理过程
(1)中断向量调用总入口函数asm_do_IRQ，传入根据中断号irq
(2)asm_do_IRQ函数根据中断号irq调用irq_desc[irq].handle_irq，它是这个中断的处理函数入口，对于电平触发的中断，
这个入口函数通常为handle_level_irq,对于边沿触发的中断，这个入口通常为handle_edge_irq
(3)入口函数首先清除中断，入口函数是handle_level_irq时还要屏蔽中断
(4)逐个调用用户在irq_desc[irq].aciton链表中注册的中断处理函数
(5) 入口函数是handle_level_irq时，还要重新开启中断
卸载中断
卸载中断处理函数这通过free_irq函数来实现，它与request_irq一样，也是在kernel/irq/mangage.c中定义。
它需要用到两个参数：irq和dev_id,它们与通过request_irq注册中断函数时使用的参数一样，使用中断号irq定位action链表，
再使用dev_id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，在注册共享中断时参数dev_id必惟一。
free_irq函数的处理过程与request_irq函数相反
(1)根据中断号irq，dev_id从action链表中找到表项，将它移除
(2)如果它是惟一的表项，还要调用IRQ_DESC[IRQ].CHIP->SHUTDOWN 或IRQ_DESC[IRQ].CHIP->DISABLW来关闭中断。
在响应一个特定的中断的时候，内核会执行一个函数，该函数叫做中断处理程序（interrupt handler）或中断服务例程（interrupt service routine ,ISP）.产生中断的每个设备都有一个相应的中断处理程序，中断处理程序通常不和特定的设备关联，而是和特定的中断关联的，也就是说，如果一个设备可以产生多种不同的中断，那么该就可以对应多个中断处理程序，相应的，该设备的驱动程序也就要准备多个这样的函数。在Linux内核中处理中断是分为上半部（top half），和下半部（bottom half）之分的。上半部只做有严格时限的工作，例如对接收到的中断进行应答或复位硬件，这些工作是在所有的中断被禁止的情况下完成的，能够被允许稍后完成的工作会推迟到下半部去。要想了解上半部和下半部的机制可以阅读一下《Linux内核设计与实现》.
参考：
