韦东山嵌入式Liunx入门驱动开发四

文章目录

      • 一、异常与中断的概念及处理流程
        • 1-1 中断的引入
        • 1-2 栈
          • (1) CPU实现a = a+b的过程
          • (2) 进程与线程
        • 1-3 Linux系统对中断处理的演进
        • 1-4 Linux 中断系统中的重要数据结构
          • (1) irq_desc 结构体
          • (2) irqaction 结构体
          • (3) irq_data 结构体
          • (4) irq_domain 结构体
          • (5) irq_domain 结构体
        • 1-5 设备树中的中断
          • (1) 设备树里的中断控制器和使用中断
          • (2) 在代码中获得中断
        • 1-6 编写使用中断的按键驱动程序

本人学习完韦老师的视频，因此来复习巩固，写以笔记记之。
韦老师的课比较难，第一遍不知道在说什么，但是坚持看完一遍，再来复习，基本上就水到渠成了。
看完视频复习的同学观看最佳！
基于 IMX6ULL-PRO
参考视频 Linux快速入门到精通视频
参考资料：01_嵌入式Linux应用开发完全手册V5.1_IMX6ULL_Pro开发板.pdf

一、异常与中断的概念及处理流程

1-1 中断的引入

首先中断属于一种异常
中断需要保存现场(各类寄存器)、处理异常、恢复现场。
1、初始化：①设置中断源，让它可以产生中断；②设置中断控制器 (可以屏蔽某个中断，优先级)；③设置 CPU总开关 (使能中断 )
2、执行其他程序 正常进行
3、产生中断 ：比如 按下按键 —>中断控制器 —>CPU
4、CPU 每执行完一条指令都会检查有无中断 /异常产生；
5、CPU发现有中断 /异常产生，开始处理。
对于不同的异常，跳去不同的地址执行程序。这地址是异常向量表，只是一条跳转指令，跳去执行某个函数，
“ldr pc,_irq”：cpu首先跳转到0x18偏移地址，然后将_irq的地址传入pc指针，再跳转了_irq的地址去执行某个函数
在这里插入图片描述6、某个函数做什么事情
① 保护现场(各种寄存器的值)
② 处理异常(中断)：判断中断源，在调用对应的处理函数(如按键、网卡、USB等)
③ 恢复现场

1-2 栈
(1) CPU实现a = a+b的过程

ARM芯片属于精简指令集计算机 (RISC Reduced Instruction Set
Computing)，它所用的指令比较简单，有如下特点：
① 对内存只有读、写指令
② 对于数据的运算是在CPU内部实现
③ 使用RISC指令的CPU复杂度小一点，易于设计
实现a = a+b
CPU 运行时，先去取得指令，再执行指令：
① 把内存a 的值读入CPU 寄存器R0
② 把内存b 的值读入CPU 寄存器R1
③ 把R0、R1 累加，存入R0
④ 把R0 的值写入内存a
在这里插入图片描述

(2) 进程与线程

在Linux 中：资源分配的单位是进程，调度的单位是线程。
进程：

  • 进程是程序的一次执行过程，是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。每个进程都拥有独立的内存空间，包括代码、数据和堆栈等。
  • 每个进程都由操作系统分配唯一的进程标识符（PID），并且拥有自己的地址空间、文件描述符、系统资源等。
  • 进程之间通常是相互独立的，彼此不会直接影响到对方的运行状态（除非通过特定的IPC机制进行通信）。
  • 操作系统通过调度算法来管理进程的执行顺序，以及为每个进程分配处理器时间。

线程：

  • 线程是进程中的实际执行单位，一个进程可以包含多个线程，它们共享同一个进程的地址空间和系统资源，但是每个线程有独立的栈空间。
  • 线程之间可以方便地共享数据，因为它们处于同一个进程的上下文中。
  • 多线程程序可以充分利用多核处理器的并行性能，提高程序的执行效率。
  • 线程的切换开销通常比进程小，因为它们共享了很多资源，如内存空间等。

多线程编程，读取按键是一个线程，播放音乐是另一个线程，它们之间可以通过全局变量传递数据，示意代码如下：

int g_key;
void key_thread_fn()
{
	while(1){
		if(g_key != -1){
			switch(g_key){
				case NEXT:
					select_next_music(); /*在GUI选中下一首歌*/
					break;
			}
		}
	}
}

void music_fn()
{
	while(1){
		if(g_key == STOP)
			stop_music();
		else{
			send_music();
		}
	}
}

int main(int argc, char **argv)
{
	int key;
	create_threads(key_tehread_fn);
	create_threads(music_fn);

	while(1){
		sleep(10);
	}
	return 0;
}
1-3 Linux系统对中断处理的演进

Linux系统中断
在Linux 中，中断处理程序的执行也可能会影响进程的调度情况，例如通过唤醒等待中的进程，或者改变进程的优先级等。
中断耗时处理方法
1、分为上下半部分进行执行。上半部：处理紧急事情，无法被打断；下半部：可以被打断
2、用内核线程处理中断
系统中有硬件中断，也有软件中断。对硬件中断的处理有 2 个原则：不能嵌套，越快越好。
硬件中断：每个硬件中断都有对应的处理函数，比如按键中断、网卡中断的处理函数肯定不一样。
简单的认为硬件中断的处理是用数组来实现的，数组里存放的是函数指针。当发生A中断时，对应的irq_function_A 函数被调用。硬件导致该函数被调用。
在这里插入图片描述
软件中断：由软件决定，对于X号软件中断，只需要把它的flag 设置为1就表示发生了该中断。在处理完硬件中断后，再去处理软件中断。
在这里插入图片描述
在Linux 系统中使用中断，可以使用request_irq函数为某个中断irq注册中断处理函数handler，handler运行中断的上半部分，并且触发软中断或者把工作放入工作队列，使用线程化来处理中断下半部分。

request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags,
	    const char *name, void *dev)
{
	return request_threaded_irq(irq, handler, NULL, flags, name, dev);
}

中断下半部的实现有很多种方法，2种主要的：tasklet、work queue(工作队列)。
当下半部比较耗时但是能忍受，并且它的处理比较简单时，可以用tasklet来处理下半部。tasklet是使用软件中断来实现。
在Linux中，中断是不会被嵌套执行的，但是中断处理程序中可能会触发延迟处理机制，导致在下半部处理中处理其他中断请求。

enum
{
	HI_SOFTIRQ=0,
	TIMER_SOFTIRQ,
	NET_TX_SOFTIRQ,
	NET_RX_SOFTIRQ,
	BLOCK_SOFTIRQ,
	IRQ_POLL_SOFTIRQ,
	TASKLET_SOFTIRQ, /*通过软中断机制实现的，允许将一些需要延迟处理的任务放入任务队列中，在适当的时机执行。*/
	SCHED_SOFTIRQ,
	HRTIMER_SOFTIRQ, /* Unused, but kept as tools rely on the
			    numbering. Sigh! */
	RCU_SOFTIRQ,    /* Preferable RCU should always be the last softirq */

	NR_SOFTIRQS
};

中断要做的事情实在太耗时，应该用内核线程来做：在中断上半部唤醒内核线程。
略
最新的中断处理方法
在这里插入图片描述

request_threaded_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,
		     irq_handler_t thread_fn,
		     unsigned long flags, const char *name, void *dev);

这个函数通常用于注册一个中断处理程序，当中断发生时，会调用指定的中断处理函数来处理中断，而线程中断处理函数则会在一个独立的线程中运行，以避免中断处理函数执行时间过长导致系统性能下降。
unsigned int irq: 要请求的中断号。
irq_handler_t handler: 中断处理函数，当中断发生时会被调用。
irq_handler_t thread_fn: 线程中断处理函数，会在一个独立的线程中执行。
unsigned long flags: 用于指定中断处理的标志，比如中断类型等。
const char *name: 中断处理函数的名称。
void *dev: 传递给中断处理函数的设备数据指针。

1-4 Linux 中断系统中的重要数据结构
(1) irq_desc 结构体

在Linux 内核中有一个中断数组，对于每一个硬件中断，都有一个数组项，这个数组就是irq_desc 数组。irq_desc 结构体在include/linux/irqdesc.h 中定义。
每一个irq_desc 数组项中都有一个函数：handle_irq，还有一个action链表。
在这里插入图片描述

(2) irqaction 结构体

irqaction 结构体在include/linux/interrupt.h中定义。
当调用request_irq 、request_threaded_irq 注册中断处理函数时，内核就会构造一个 irqaction 结构体。在里面保存 name、dev_id 等，最重要的是 handler 、thread_fn 、thread 。
handler是中断处理的上半部函数，用来处理紧急的事情。
thread_fn对应一个内核线程thread ，当handler 执行完毕，Linux内核会唤醒对应的内核线程。在内核线程里，会调用 thread_fn函数。

在这里插入图片描述

(3) irq_data 结构体

irq_desc的irq_data结构体在 include/linux/irq.h 中定义，它就是个中转站，里面有irq_chip 指针 irq_domain 指针，都是指向别的结构体。
在这里插入图片描述

(4) irq_domain 结构体

irq为软件中断号，hwirq为硬件中断号。 irq_domain会把本地的hwirq映射为全局的irq。
比如GPIO控制器里有第1号中断，UART模块里也有第1号中断，这两个第1号中断是不一样的，它们属于不同的“域”── irq_domain
设备树的中断通过irq_domain结构体的irq_domain_ops 结构体的一系列函数转换为request_irq(irq, handler)中的irq。
irq_domain结构体在 include/linux/irqdomain.h 中定义
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

(5) irq_domain 结构体

irq_chip结构体在include/linux/irq.h 中定义
在这里插入图片描述
我们在request_irq 后，并不需要手工去使能中断，原因就是系统调用对应的irq_chip 里的函数帮我们使能了中断。
我们提供的中断处理函数中，也不需要执行主芯片相关的清中断操作，也是
系统帮我们调用irq_chip 中的相关函数。

1-5 设备树中的中断
(1) 设备树里的中断控制器和使用中断

在设备树中，中断控制器节点中必须有一个属性：interrupt-controller，表明它是中断控制器。还必须有一个属性：#interrupt-cells，表明引用这个中断控制器的话需要多少个cell。
一个外设的设备树里需要有这连个属性interrupt parent=<&XXXX>：你要用哪一个中断控制器里的中
断？interrupts：你要用哪一个中断？

#interrupt cells=<2>

别的节点要使用这个中断控制器时，需要一个cell来表明使用哪一个中断；还需要另一个cell来描述中断，一般是表明触发类型。
第 2个cell的 bits[3:0] 用来表示中断触发类型 trigger type and level flags)
1 = low to high edge triggered ，上升沿触发
2 = high to low edge triggered ，下降沿触发
4 = active high level sensitive ，高电平触发
8 = active low level sensitive ，低电平触发

一个interrupts extended 属性就可以既指定 interrupt parent也指定interrupt

interrupts extended = <&intc1 5 1>, <&intc2 1 0>;
(2) 在代码中获得中断

① platform_device
一个节点能被转换为platform_device ，如果它的设备树里指定了中断属
性，那么可以从 platform_device中获得中断资源，可以使用下列函数获得 IORESOURCE_IRQ 资源，即中断号。

/**
 * platform_get_resource - get a resource for a device
 * @dev: platform device
 * @type: resource type
 * @num: resource index
 */
struct resource *platform_get_resource(struct platform_device *dev,
				       unsigned int type, unsigned int num)
{
	int i;

	for (i = 0; i < dev->num_resources; i++) {
		struct resource *r = &dev->resource[i];

		if (type == resource_type(r) && num-- == 0)
			return r;
	}
	return NULL;
}

② 对于I2C设备、SPI设备
对于I2C 设备节点，I2C总线驱动在处理设备树里的I2C子节点时，也会处
理其中的中断信息。一个I2C设备会被转换为一个i2c_client 结构体，中断号会保存在i2c_client的irq成员里。代码：drivers/i2c/i2c core.c
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
对于SPI设备节点，SPI总线驱动在处理设备树里的 SPI 子节点时，也会处
理其中的中断信息。一个SPI设备会被转换为一个spi_device结构体，中断号会保存在spi_device的的irq成员里，代码如下drivers/spi/spi.c
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

③ 调用of_irq_get 获得中断号
在驱动程序中自行调用 o f_irq_get 函数去解析设备树，得到中断号。
④ 对于GPIO
参考：drivers/input/keyboard/gpio_keys.c

gpio keys {
	compatible = "gpio keys";
	pinctrl names = "default";
	
	user {
		label = "User Button";
		gpios = <&gpio5 1 GPIO_ACTIVE_HIGH>;
		gpio-key,wakeup;
		linux,code = <KEY_1>;
		};
}

使用下面函数获取引脚和flag

button -->gpio = of_get_gpio_flags(pp, 0, &flags);
bdata -->gpiod = gpio_to_desc(button->gpio);

再使用gpiod_to_irq获取中断号

irq = gpiod_to_irq(bdata->gpiod);
1-6 编写使用中断的按键驱动程序

设备树编写
节点信息
在这里插入图片描述
pinctrl子系统(实验结果显示不添加也可以，因为这两个GPIO引脚默认工作于GPIO模式)
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

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