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2004-02-03_zshuc_linux驱动设计.rar （18个子文件）

2004-02-03_zshuc_linux驱动设计

序言.doc 49KB

第六章.doc 125KB

第十一章.doc 90KB

第八章.doc 91KB

第十三章.doc 96KB

第七章.doc 77KB

第十四章.doc 131KB

第五章.doc 75KB

第一章.doc 39KB

第十二章.doc 90KB

第三章.doc 64KB

第十章.doc 58KB

第十七章.doc 76KB

第十五章.doc 64KB

第九章.doc 196KB

第四章.doc 59KB

第二章.doc 77KB

第十六章.doc 77KB

第 9 章中断处理

中断是硬件管理的最终资源。众所周知，设备利用中断来通知软件可以对它进行操作

了。Linux 为中断处理提供了很好的接口。事实上中断处理的接口如此之好，以至于编写

和安装中断处理程序几乎和编写其它核心函数一样容易。但是由于中断处理程序和系统的

其它部分是异步运行的，使用时要注意一些事项。

本章的示例代码使用并口来产生中断。因此，如果你想运行测试程序，你必须给你的

电烙铁接上电源，即使在上一章的例子程序中你拒绝这样做。

我们用上一章的 short 模块来示范如何使用中断。这个模块的名字，short，实际上是指

short int(这是 C 语言，不是吗？)，提醒我们它要对中断(interrupt)进行处理。

准备并口

虽然我在第 8 章“

硬件管理

”的“使用并口”一节已经提到，并口很简单，但它也会触发中

断。打印机就是利用这种能力来通知 lp 驱动程序它已准备好接收缓冲区中的下一个字符。

在指定接口这样做之前实际上并不会产生中断；并口标准规定设置 2 号端口的第 4 位

(0x37a，0x27a 或其它某个地址)时启动中断报告。short 模块在初始化时调用 outb 设置该位。

启动中断报告之后，每当引脚 10(所谓的"ACK"位)上的电平从低变高时，并口都会产

生一个中断。强迫接口（没有把打印机连到端口上）产生中断的最简单方法是将并行插座

的引脚 9 和引脚 10 相连。为此，你需要一个阳性的 25 针 D 型插座和一英寸的电缆线。

引脚 9 是并行数据字节中最重要的一位。如果你往/dev/short0 中写入二进制数据，就

可以产生几个中断。然而，往端口中写入 ASCII 文本将不会产生中断，因为此时不会设置

这个最重要的位。

如果你确实想“看看”产生的中断，那么，仅仅往硬件设备中写是不够的；还必须在系

统中配置一个软件处理程序。目前，Linux-x86 和 Linux-Alpha 只是简单的确认，忽略任何

在预料之外的中断。

安装中断处理程序

中断信号线是宝贵并且非常有限的资源，当只有 15 或 16 根中断信号线时尤其如此。

内核维护了一个类似于 I/O 端口注册表的中断信号线的注册表。一个模块可以申请一个中

断通道（或中断请求 IRQ，即 Interrupt ReQuest），并且，处理完以后还可以释放掉它。

在<linux/sched.h>头文件中申明的下列函数实现了这个接口：

int request_irq(unsigned int irq,

void (*handler)(int, void*, struct pt_regs *),

unsigned long flags,

const char *device, void *dev_id);

void free_irq(unsigned int irq, void *dev_id);

注意，1.2 版定义了不同的原型。相关的移植问题可参见本章稍后的“ IRQ 处理程序的

版本相关性”一节。

通常，申请中断的函数的返回值为 0 时表示成功，或者返回一个负的错误码。函数返

回-EBUSY 通知另一个设备驱动程序已经使用了要申请的中断信号线的情况并不常见。函

数参数定义如下：

unsigned int irq

该参数为中断号。有时从 Linux 中断号到硬件中断号的映射并不是一对一的。例如，

在 arch/alpha/kernel/irq.c 文件中可以查看到 Alpha 上的映射。这里，传递给内核函数的

参数是 Linux 中断号而不是硬件中断号。

void (*handler)(int,void *,struct pt_regs *)

指向要安装的中断处理函数的指针。

unsigned long flags

如你所想，这是一个与中断管理有关的各种选项的字节掩码。

const char *device

传递给 request_irq 的字符串，在/proc/interrupts 中用于显示中断的拥有者（参见下一

节）。

void *dev_id

这个指针用于共享的中断信号线。它是一个唯一的标志符，更象一个 ClientDate（C++

中的 this 对象）。设备驱动程序可以自由地任意使用 dev_id。除非强制使用中断共享，

dev_id 通常被置为 NULL。在后面的“实现一个处理程序”一节中，我们将看到一个使

用 dev_id 的实际例子。

在 flags 中可以设置的位是：

SA_INTERRUPT

如果设置该位，就指示这是一个“快速”中断处理程序；如果清除这位，那么它就是一

个“慢速”中断处理程序。快速中断处理程序和慢速中断处理程序的概念在下面的“快速

和慢速处理程序”一节中会谈到。

SA_SHIRQ

该位表明中断可以在设备间共享。共享的概念在稍后的“中断共享”一节中介绍。

SA_SAMPLE_RANDOM

该位表明产生的中断对/dev/random 和/dev/urandom 设备要使用的熵池(entropy pool)有

贡献。读这些设备返回真正的随机数，它们用来帮助应用软件选取用于加密的安全钥

匙。这些随机数是从一个熵池中取得的，各种随机事件都会对系统的熵池(无序度)有

贡献。如果你希望设备真正随机地产生中断，你应该置上这个标志。而如果你的中断

是可预测的(例如，帧捕捉卡的垂直消隐)，那就不值得设置这个标志位－它对系统的

熵池没有任何贡献。更详尽的信息可参见 drivers/char/random.c 文件中的注释。

中断处理程序可以在驱动程序初始化时或者在设备第一次打开时安装。虽然在

init_module 函数中安装中断处理程序听起来是个好主意，但实际上并非如此。因为中断信

号线数量有限，你不会想浪费它们的。你的计算机拥有的设备通常要比中断信号线多。如

果一个设备模块在初始化就申请了一个中断，会阻碍其它驱动程序使用这个中断，即便这

个设备根本不使用它占用的这个中断。而在打开设备时申请中断，则允许资源有限的共享。

例如，只要你不同时使用帧捕捉卡和调制解调器这两个设备，它们使用同一个中断就

是可能的。用户经常在系统启动时装载某个特殊设备的模块，即使这个设备很少使用。数

据采集卡可以和第二个串口使用同一个中断。尽管在进行数据采集时避免去连你的 ISP 并

不是件难事，但在使用调制解调器前不得不先卸载一个模块太令人不愉快了。

调用 request_irq 的正确位置是在设备第一次打开，硬件被指示产生中断

前

的时候。而

调用 free_irq 的位置是设备最后关闭，硬件被通知不要再中断处理器

后

的时候。该技术的缺

点是你必须为每个设备维护一个记录其打开次数的计数器。而如果你在同一个模块中控制

两个以上的设备，那么仅仅使用模块计数器那还不够。

尽管我已说了这么多，short 却是在装载时申请中断信号线的。我这样做是为了使你在

运行测试程序时不必运行其它进程来使设备保持打开的状态。因此，short 会象真正的设备

那样，在 init_module 中而不是 short_open 中申请中断。

下面这段代码要申请的中断是 short_irq。对这个变量的赋值将在后面再给出，因为它

与现在的讨论无关。short_base 是使用的并口的 I/O 基地址；写接口的 2 号寄存器打开中断

报告。

if (short_irq >=0 ) {

result=request_irq(short_irq, short_interrupt, SA_INTERRUPT, "short", NULL);

if (result) {

printk(KERN_INFO "short: can't get assigned irq %i\n", short_irq);

short_irq=-1;

}

else { /*

outb(0x10, short_base+2);

}

这段代码显示安装的处理程序是个快速中断处理程序(SA_INTERRUPT)，不支持中断

共享 ( 没有设置 SA_SHIRQ) ，并且对系统熵池无贡献 ( 没有设置

SA_SAMPLE_RANDOM)。然后调用 outb 打开并口的中断报告。

/proc 接口

当处理器被硬件中断时，一个内部计数器会被加 1，这为检查设备是否正常工作提供

了一个方法。报告的中断显示在文件/proc/interrupts 中。下面是我的 486 启动一个半小时

(uptime)后该文件的一个快照：

0: 537598 timer

1: 23070 keyboard

2: 0 cascade

3: 7930 + serial

5: 4568 NE2000

7: 15920 + short

13: 0 math error

14: 48163 + ide0

15: 1278 + ide1

第一列是 IRQ 中断号。你可以从显示中缺少一些中断推知该文件只会显示已经安装了

驱动程序的那些中断。例如，第一个串口(使用中断号 4)没有显示，这表明我现在没有使用

调制解调器。实际上，即使我在获取这个快照之前使用过调制解调器，它也不会出现在这

个文件中；串口的行为很良好，当设备关闭时会释放它们的中断处理程序。出现在各记录

中的加号标志该行中断采用了快速中断处理程序。

/proc 树中还包含了另一个与中断有关的文件，/proc/stat；有时你可能会发现一个文件

更有用，但有时又更愿意使用另一个。/proc/stat 文件记录了关于系统活动的一些底层的统

计信息，包括(但不仅限于)只系统启动以来接收到的中断次数。stat 文件的每一行都以一个

字符串开始，它是该行的关键字；intr 标记正是我们要找的。下面的快照是在得到前面那

个快照后半分钟获得的：

intr 947102 540971 23346 0 8795 4907 4568 0 15920 0 0 0 0 0 0 48317 1278

第一个数是总的中断次数，而其它每个数都代表一个中断信号，从 0 号中断开始。上

面的快照显示 4 号中断被使用了 4907 次，虽然

当前

它的处理程序没有安装上。如果你测试

的驱动程序是在每次打开和关闭设备的循环中获取和释放中断的话，那么你会发现/proc/

stat 文件要比/proc/interrupts 文件更有用。

两个文件另一处不同是 interrupts 文件与体系结构无关，而 stat 文件则与体系结构有关：

其字段的个数取决于内核之下的硬件。可以获取的中断个数在 Sparc 上只有 15 个，而在

Atari(M68k 处理器)上则多达 72 个。

下面的快照给出我的 Alpha 工作站(共有 16 个中断，和 x86 机器一样)上的文件内容：

1: 2 keyboard

5: 4641 NE2000

15: 22909 + 53c7,8xx

intr 27555 0 2 0 1 1 4642 0 0 0 0 0 0 0 0 0 22909

这个输出的最值得注意的地方是不出现时钟中断。在 Alpha 机器上，时钟中断与其它

中断到达处理器的方式不同，没有分配 IRQ 中断号。

自动检测中断号

驱动程序初始化时最迫切的问题之一就是如何决定设备要使用哪条中断信号线。驱动

程序需要该信息以便安装正确的处理程序。虽然程序员可以要求用户在装载是指定中断号

但这并不好，因为一般用户并不知道中断号，或者是因为他没有配置跳线或者因为该设备

根本就没有跳线。自动检测中断号是对驱动程序使用的基本要求。

有时自动检测依赖于一些设备拥有的较少改变的缺省特性。此时，驱动程序可以就假

定设备使用了这些缺省值。short 在检测并口时就正是这么作的。正如 short 的代码中所给

出的，实现起来相当简明：

if (short_irq<0) /* 尚未指定：强制为缺省的 */

switch(short_base){

case 0x378: short_irq=7; break;

case 0x278: short_irq=2; break;

case 0x3bc: short_irq=5; break;

}

这段代码根据选定的 I/O 地址来分配中断号，但也允许用户在装载驱动程序时通过调

用 insmod short short_irq=x 来覆盖缺省值。short_base 缺省为 0x378，因此 short_irq 缺省

为 7。

有些设备设计得更为先进，会简单地“声明”它们要使用那个中断。此时，驱动程序可

以通过读设备的某个 I/O 端口的一个状态字节来获得中断号。当目标设备能告述设备要使

用哪个中断时，那么自动检测中断号就是探测设备，不需要额外工作来探测中断。

值得注意的是，现代的设备能提供自己的中断配置信息。PCI 标准通过要求外围设备

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