4、中断与定时器的学习

时间：2021-02-20 00:13:09

一、中断

    所谓的中断，是指 CPU 在执行的过程中，出现了某些的突发时间，CPU 必须暂停当前程序的执行，转而去处理突发的事件，当处理完毕之后，又返回源程序继续执行。

1.1、中断的分类

    按照中断的来源： 可以分为内部和外部的中。外部中断，也就是由外设请求的中断；内部中断，显示就是 CPU 请求的中断，比如软中断，除法错误。

    按照总段屏蔽的情况：分为可以屏蔽和不可屏蔽。

1.2、中断的常用接口

1、中断的申请

request_irq(unsigned int irq,irq_handler_t handler,unsigned long flags,const char * devname,void * dev_id)

    当完成 request_irq 的时候，内部其实已经是调用了  enable_irq 了，就是中断不仅注册而且使能了，后面已经不需要再进行 enable_irq

irq : 申请的中断号

handler ： 登记的中断处理函数，函数指着来着

flags ： 中断标记（属性标记），指定中断的类型，当为 SA_INTERRUPT : 快速中断，IRQF_SHARED ： 共享中断，也就是中断的管脚是被多个管脚共享的，

devname ： 名字，这个名字，当中断注册成功之后，就会在 /proc/interrupt 里面显示，cat 的时候，就可以看到，

dev_id ： 私有的数据，一般是设置为零，当中断设置为共享中断的时候，就可以设置传输的数据，一般传输数据是结构体

    当注册玩中断的时候，可以查看 注册进去的中断，

    cat /proc/interrupts

        CPU0              CPU1              CPU2              CPU3             
1:          0          0          0          0        Phys-irq  i8042
8:          3          0          0          0        Phys-irq  rtc
9:          0          0          0          0        Phys-irq  acpi

第一列是中断号，而最后一列，就是我们注册进去的 dev_name

2、中断的释放

free_irq(unsigned int irq,void * dev_id)

irq : 释放的中断号

dev_id : 中断传输的数据，

3、禁止单个中断

void disable_irq(int irq);

void disable_irq_nosync(int  irq);

void enable_irq(int irq);

    enable 与 disable 是相呼应的，而disable 关闭中断的是，一般是会等到中断处理完毕在之后才返回，而 nosync 则是立即返回。因为不反悔的话有可能中断的清理工作 N 久，导致了 死锁的产生。

4、禁止所有的中断

      实现屏蔽本 CPU 内，所有的中断

#define local_irq_save(flags)

void local_irq_disable(void)

    前者的宏代码，会在屏蔽中断的同时，将中断状态保留在 flags 中，而 后面的则不会。

   要想将中断回复的话，就要用下面的代码：

#define local_irq_restore(flags)     // 之前保留的状态有用了

void local_irq_enable(void)

 

1.3、中断的机制

    在产生中断以后，中断要去执行长时间的任务；而中断的数量又是有限的，要实现满足大量中断的功能，又要实现快速的反映，Linux 使用了将中断分为上半部和下半部的机制4、中断与定时器的学习

    上半部，实现的内核的注册之后，中断发生之后的快速反映部分，其实就是  request_irq 指定的中断函数。中断发生，立马跳转到中断函数里面执行，快速的反映。而后半部分的话，则是在前半部分里面调调度延迟处理的机制，对那些耗时的工作，放在下半部处理。，用延迟处理的函数，来实现。而上部分调度延迟处理的机制，一般是 tasklet 机制 和工作队列机。

1.3.1、tasklet 机制

       tasklet 机制，实质上，重新指定了一个新的函数，让这个新的函数，在适当的实际去运行，也就是在下半部运行，而上半部的中断就可以释放了，这样上半部空出来资源，就得到释放。

    void my_tesklet_for_func(unsigned long data)   // 函数

    DECLARE_TASKLET(my_tesklet, my_tesklet_for_func,data);  // 初始化

    实现了，将一个执行函数，绑定了 tasklet 机制上面，而第一个参数是名字，随意都可以的,而  data 则是传输给 指定函数的值。

    完成了函数的绑定，tasklet 机制上运行了下半部，但是必须在上半部分，也就是 request_irq 指定的函数里面，进行调用，

    tasklet_schedule（&my_tesklet）

    这里需要知道的是，tasklet 机制，函数的绑定，在函数外就可以被执行，tasklet 的调度运行，则是在上半部被指定，这样才可以跳转到下半部分被得到运行嘛。

注意：

    在单核的情况下，tasklet 机制，不用加锁；而在多核的情况下， tsaklet 可以保证函数都是运行在第一个调度它们的 CPU 上，因此一个中断处理，可以确保一个 tasklet 在处理结束前不会被执行。但是，另一个中断是存在可能在 tasklet 在运行时被提交，因此，tasklet 和中断之间还是存在需要加锁的需要。

1.3.2、工作队列

    工作队列的与 tasklet 类似，但是工作队列的执行上下文都是在内核线程，因此工作队列是可以被调度和睡眠，显然 tasklet 是不能睡眠的。

工作队列比 tasklet 多了一个 struct work_struct 结构体，这个结构体就是专门的过队列

struct work_struct {
atomic_long_t data;
#define WORK_STRUCT_PENDING 0		/* T if work item pending execution */
#define WORK_STRUCT_STATIC  1		/* static initializer (debugobjects) */
#define WORK_STRUCT_FLAG_MASK (3UL)
#define WORK_STRUCT_WQ_DATA_MASK (~WORK_STRUCT_FLAG_MASK)
	struct list_head entry;
	work_func_t func;
#ifdef CONFIG_LOCKDEP
	struct lockdep_map lockdep_map;
#endif
};

这里主要是 

work_func_t 这个宏定义，其实就是函数指针。

struct work_struct my_work_struct;

void my_func_for_work(struct work_struct *work);

    上面定义了工作队列和工作队列的函数。

    需要初始化工作工作队列,

    INIT_WORK(&my_work_struct,my_func_for_work);

    将工作队列与函数进行绑定，

    完成绑定只是前奏，需要在上半部，也就是 request_irq 指定的函数里面，调用工作队列：

    schedule_work(&my_work_struct);

 

二、定时器

    之所以将定时器与中断放在一个章节，是因为定时器的实在在硬件也是依赖中断实现的，系统走动的的每一个节拍都是被记录在 jiffies 上。对比两个时间点的 jiffies 就可以得到这段时间走过的节拍数目，也就可以得到时间。

2.1、定时API实现

1、timer_list 结构体

struct timer_list{
struct list_head entry; //内核使用
unsigned long expires; //设定的超时的值
void(*function)(unsigned long); //超时处理函数
unsigned long data; //超时处理函数参数
struct tvec_base *base; //内核使用
}

expires ： 设定定时器的时间

function ： 函数指针，当定时器时间到了，就会调用者这个函数

data ： 传参，当function 被指定的时候，这个 data 就会传给 function 函数。

2、定时器的初始化

init_timer(struct timer_list * timer)

    参数为定义好的定时器 timer_list 结构体

3、定时器增加

void add_timer(struct timer_list *timer)

    定时器的增加。，其实就是将定时器假如到内核的定时器链表中，假如之后，才是真正开始计时。当定时器的时间到达的时候，就会去执行 function 函数指针指定的函数，

4、删除计时器

int del_timer(struct timer_list *timer);

   删除定时器，当然还存在同步的版本： del_timer_sync、。

5、定时器的修改

int mod_timer(struct timer_list *timer,unsigned long expires)

    修改定时器的延迟时间，被修改之后，会重新开始计时。

 

2.2、内核的延迟

1、短延迟

    内核提供了下面三个函数进行短延迟，分别是纳秒、微秒、毫秒延迟：

void ndelay(unsigned long nsecs)

void udelay(unsigned long usecs)

void mdelay(unsigned long msecs)

    延迟，是让 CPU 进入了忙等待，这个时候， CPU 都给浪费了，所以不建议使用较长时间的延迟，优点是,这个时候这个延迟的时间是准的。

  内核也提供较长时间按的睡眠机制 ，使得 CPU 在等待的时间，可以去执行其他的进程：

void msleep(unsigned int millisecs);    // 睡眠

unsigned long msllep_interruptible(unsigned int millisecs)  //可以被中断的睡眠

void ssleep(unsigned int seconds);   // 秒 睡眠

2、长时间延迟

     长时间的延迟，可以通过指定的时间节拍与 jiffies 进行对比。

unsigned long delay = jiffies + 100;   // 延迟 100 个节拍；

while(time_before(jiffies，delay));

delay = jiffies + 2 * HZ；   // 延迟两秒，HZ 是一秒钟的节拍

while(time_before(jiffies，delay));

#define time_before(a,b)    time_after(b,a)

#define time_after(a,b)        \
    (typecheck(unsigned long, a) && \
     typecheck(unsigned long, b) && \
     ((long)(b) - (long)(a) < 0))

 

3、等待队列

    等待队列，一般是用在中断、定时器、进程同步下。一般是，当进程必须在等到（类似阻塞）某种事情发生，才进行后续的工作。阻塞的过程，是睡眠的过程，当等待的条件为真（资源获取到），就由内核唤醒进程。

    等待队列，是由一个“队列头”进行管理的，

1、队列头初始化

static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(queus_name);

    queus_name ，是队列的头名字，随意设置，

 

2、进入睡眠

    进程在还没有等到某种条件，或者资源的时候，就进入睡眠的状态，

wait_event(queus_name , condition)    // 不可中断

wait_event_interruptible(queus_name , condition)  // 可以被中断

queus_name  ： 是等待队列头的名字，

condition ： 是一个值，一般是 bool 类型的，必须满足 condition 为真，否则继续睡眠

 

3、唤醒

    进入睡眠状态的进行，需要在一定的位置进行唤醒，

void wake_up(wait_queue_head_t *queue);  

void wake_up_interruptible(wait_queue_head_t *queue);

    中断与不可中断不同的 API ，要看 进入睡眠的时候，使用哪个  API ，

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