2025年12月16日玄貓（BlackCat）

Linux裝置驅動程式中斷處理

本文探討在 Linux 裝置驅動程式中處理硬體中斷的機制，涵蓋中斷處理函式的設計、裝置樹設定、平台驅動程式模型的應用以及延遲工作機制的運用。以 Raspberry Pi 上的按鈕中斷裝置為例，詳細說明瞭如何撰寫中斷處理程式、註冊中斷、處理中斷分享以及使用 Tasklets 和 Softirqs

系統程式嵌入式系統

Linux核心裝置驅動程式中斷處理下半部 Tasklet Softirq

在 Linux 系統中，硬體中斷是驅動程式與硬體互動的重要機制。有效的中斷處理能讓系統即時回應硬體事件，本文將以 Raspberry Pi 的按鈕中斷為例，解析 Linux 驅動程式中斷處理的流程與核心概念，包含中斷處理函式的撰寫、裝置樹的設定、平台驅動程式模型的註冊，以及如何運用 Tasklets 和 Softirqs 等延遲工作機制來提升系統的反應速度和效率。理解這些核心機制對於開發高效能且穩定的 Linux 驅動程式至關重要，能確保系統在處理硬體事件時保持穩定和快速回應。

中斷處理在裝置驅動程式中的應用

在Linux裝置驅動程式開發中，中斷處理是一種關鍵機制，允許硬體裝置在需要時通知CPU。本章節將探討如何在裝置驅動程式中處理中斷，並透過一個按鈕中斷裝置的實驗室練習來演示相關概念。

中斷處理基礎

在Linux核心中，中斷處理函式的傳回型別是irqreturn_t。這個列舉型別定義了三種可能的傳回值：IRQ_NONE、IRQ_HANDLED和IRQ_WAKE_THREAD。

`irqreturn_t`列舉定義

enum irqreturn {
    IRQ_NONE = (0 << 0),
    IRQ_HANDLED = (1 << 0),
    IRQ_WAKE_THREAD = (1 << 1),
};
typedef enum irqreturn irqreturn_t;

IRQ_NONE：表示中斷不是由該裝置產生的，或者未被處理。
IRQ_HANDLED：表示中斷已被裝置處理。
IRQ_WAKE_THREAD：請求喚醒處理該中斷的執行緒。

中斷分享與處理

驅動程式應該盡可能支援中斷分享，這需要能夠檢測硬體是否觸發了中斷。當中斷發生時，驅動程式會被呼叫，如果它確定是自己的硬體觸發了中斷，則傳回IRQ_HANDLED；否則，傳回IRQ_NONE，允許核心呼叫下一個中斷處理程式。

實驗室練習：按鈕中斷裝置模組

這個實驗室練習將實作一個簡單的驅動程式，用於管理按鈕產生的中斷。

硬體描述

使用MikroElektronika Button R click板，將其INT引腳連線到Raspberry Pi的GPIO23引腳。

裝置樹描述

需要在裝置樹中組態GPIO23為輸入，並啟用內部下拉電阻。當按鈕被按下時，GPIO輸入值被設為Vcc，釋放時設為GND，如果在request_irq()函式中傳遞了IRQF_TRIGGER_FALLING標誌，則會產生中斷。

&gpio {
    key_pin: key_pin {
        brcm,pins = <23>;
        brcm,function = <0>; /* Input */
        brcm,pull = <1>; /* Pull down */
    };
};

&soc {
    int_key {
        compatible = "arrow,intkey";
        pinctrl-names = "default";
        pinctrl-0 = <&key_pin>;
        gpios = <&gpio 23 0>;
        interrupts = <23 1>;
        interrupt-parent = <&gpio>;
    };
};

程式碼描述

驅動程式的主要部分包括：

包含必要的標頭檔案

#include <linux/module.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/miscdevice.h>

在probe()函式中取得Linux IRQ號

使用兩種方法取得Linux IRQ號：透過devm_gpiod_get()和gpiod_to_irq()，或透過platform_get_irq()。

static int __init my_probe(struct platform_device *pdev)
{
    int ret_val, irq;
    struct gpio_desc *gpio;
    struct device *dev = &pdev->dev;

    /* 第一種方法取得虛擬Linux IRQ號 */
    gpio = devm_gpiod_get(dev, NULL, GPIOD_IN);
    irq = gpiod_to_irq(gpio);

    /* 第二種方法取得虛擬Linux IRQ號 */
    irq = platform_get_irq(pdev, 0);

    devm_request_irq(dev, irq, hello_keys_isr, IRQF_TRIGGER_FALLING, HELLO_KEYS_NAME, dev);
    misc_register(&helloworld_miscdevice);
    return 0;
}

#### 內容解密：

devm_gpiod_get(dev, NULL, GPIOD_IN)：用於從裝置樹中的gpios屬性取得GPIO描述符，並將其組態為輸入模式。
gpiod_to_irq(gpio)：將GPIO描述符轉換為對應的Linux IRQ號。
platform_get_irq(pdev, 0)：從裝置樹中的interrupts屬性取得硬體IRQ號，並傳回對應的Linux IRQ號。
devm_request_irq(dev, irq, hello_keys_isr, IRQF_TRIGGER_FALLING, HELLO_KEYS_NAME, dev)：請求IRQ線，並註冊中斷處理函式hello_keys_isr，當檢測到下降沿觸發的中斷時呼叫。

這個實驗室練習展示瞭如何在Linux裝置驅動程式中處理中斷，包括組態裝置樹、取得IRQ號、註冊中斷處理函式等關鍵步驟。透過這些知識，可以開發出能夠有效處理硬體事件的驅動程式。

在裝置驅動程式中處理中斷（Handling Interrupts in Device Drivers）

簡介

在 Linux 驅動程式開發中，處理硬體中斷是一項關鍵任務。本文將探討如何在裝置驅動程式中處理中斷，以 Raspberry Pi 為例，使用平台驅動程式模型實作按鈕中斷的處理。

驅動程式實作步驟

1. 中斷處理函式的編寫

中斷處理函式（Interrupt Handler）是驅動程式的核心部分，負責在硬體中斷發生時執行相應的處理。以下是一個範例：

static irqreturn_t hello_keys_isr(int irq, void *data)
{
    struct device *dev = data;
    dev_info(dev, "interrupt received. key: %s\n", HELLO_KEYS_NAME);
    return IRQ_HANDLED;
}

內容解密：

irqreturn_t 是中斷處理函式的傳回型別，表示中斷處理的結果。
hello_keys_isr 函式接收兩個引數：irq（中斷號）和 data（與中斷相關的資料，通常是裝置結構指標）。
透過 dev_info 列印中斷接收訊息到控制檯。
傳回 IRQ_HANDLED 表示中斷已被正確處理。

2. 宣告支援的裝置列表

驅動程式需要宣告它所支援的裝置，這是透過 of_device_id 結構完成的：

static const struct of_device_id my_of_ids[] = {
    { .compatible = "arrow,intkey"},
    {},
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, my_of_ids);

內容解密：

.compatible 欄位指定了驅動程式支援的裝置相容字串。
MODULE_DEVICE_TABLE 巨集註冊裝置表格，使其可供核心使用。

3. 平台驅動程式結構註冊

平台驅動程式結構包含了驅動程式的回撥函式和相關資訊：

static struct platform_driver my_platform_driver = {
    .probe = my_probe,
    .remove = my_remove,
    .driver = {
        .name = "intkey",
        .of_match_table = my_of_ids,
        .owner = THIS_MODULE,
    }
};

內容解密：

.probe 和 .remove 分別是驅動程式的初始化和移除回撥函式。
.driver.name 指定了驅動程式的名稱。
.of_match_table 指向支援的裝置列表。
.owner 指定了模組的所有者，通常是 THIS_MODULE。

4. 向平台匯流排註冊驅動程式

module_platform_driver(my_platform_driver);

內容解密：

這行巨集呼叫註冊了平台驅動程式結構，使其可供平台匯流排使用。

程式碼範例完整呈現

以下是完整的 int_rpi3_key.c 程式碼，包含了上述所有部分：

#include <linux/module.h>
#include <linux/platform_device.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/gpio/consumer.h>
#include <linux/miscdevice.h>

static char *HELLO_KEYS_NAME = "PB_KEY";

static irqreturn_t hello_keys_isr(int irq, void *data)
{
    struct device *dev = data;
    dev_info(dev, "interrupt received. key: %s\n", HELLO_KEYS_NAME);
    return IRQ_HANDLED;
}

static int __init my_probe(struct platform_device *pdev)
{
    // 省略部分程式碼...
    return 0;
}

static int __exit my_remove(struct platform_device *pdev)
{
    // 省略部分程式碼...
    return 0;
}

static const struct of_device_id my_of_ids[] = {
    { .compatible = "arrow,intkey"},
    {},
};
MODULE_DEVICE_TABLE(of, my_of_ids);

static struct platform_driver my_platform_driver = {
    .probe = my_probe,
    .remove = my_remove,
    .driver = {
        .name = "intkey",
        .of_match_table = my_of_ids,
        .owner = THIS_MODULE,
    }
};

module_platform_driver(my_platform_driver);

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("Alberto Liberal <[email protected]>");
MODULE_DESCRIPTION("This is a button INT platform driver");

Linux 核心中的中斷處理與延遲工作機制

Linux 核心在處理硬體中斷時，採用了兩種不同的執行上下文：行程上下文（Process Context）與中斷上下文（Interrupt Context）。這兩種上下文決定了核心程式碼的執行方式與限制。

行程上下文與中斷上下文

行程上下文：當核心代表使用者行程執行時，例如執行系統呼叫的核心服務例程，就處於行程上下文中。此外，由工作佇列（Workqueues）和執行緒中斷（Threaded Interrupts）排程的延遲工作也在行程上下文中執行。這些核心執行緒在核心空間的行程上下文中執行，但不代表任何使用者行程。行程上下文中的程式碼可以阻塞（Block）。
中斷上下文：當硬體中斷控制器發出請求時，核心會非同步地執行中斷處理程式，這種特殊的上下文稱為「原子上下文」（Atomic Context），因為在這種上下文中執行的程式碼無法阻塞。中斷不是可排程的，它們發生並執行自己的處理程式，產生自己的上下文。Softirqs、Tasklets 和 Timers 在中斷上下文中執行，這意味著它們不能呼叫阻塞函式。

延遲工作機制

延遲工作允許將程式碼排程到稍後執行。這種機制用於補充中斷處理程式的功能，因為中斷處理有重要的需求和限制：

中斷處理程式的執行時間必須盡可能短。
在中斷上下文中不能使用阻塞呼叫。

使用延遲工作機制，可以在中斷處理程式中執行最少量的時間敏感工作，並將非時間敏感的工作排程到稍後執行，當中斷被啟用時。這種延遲工作在中斷處理中也稱為「下半部」（Bottom-Half），因為它的目的是執行中斷處理程式（上半部，Top-Half）剩下的工作。

下半部與上半部的區別

上半部（Top-Half）：立即執行時間關鍵的工作，通常是中斷處理程式本身。上半部應該盡快完成，因為所有中斷都被停用。
下半部（Bottom-Half）：執行被延遲的工作，即那些時間依賴性較低、較不關鍵的動作。下半部由中斷服務例程（ISR）觸發。當下半部執行時，中斷是啟用的。

Softirqs

Softirqs 在中斷上下文中執行，用於最關鍵和時間敏感的下半部處理工作。它們在所有中斷處理程式完成後執行，可以被任何上半部中斷搶佔。Softirqs 不能被裝置驅動程式使用，因為它們是為各種核心子系統保留的；在編譯時期定義了固定數量的 Softirqs。

目前的核心版本定義了以下型別的 Softirqs：

enum {
    HI_SOFTIRQ = 0,
    TIMER_SOFTIRQ,
    NET_TX_SOFTIRQ,
    NET_RX_SOFTIRQ,
    BLOCK_SOFTIRQ,
    IRQ_POLL_SOFTIRQ,
    TASKLET_SOFTIRQ,
    SCHED_SOFTIRQ,
    HRTIMER_SOFTIRQ,
    RCU_SOFTIRQ,
    NR_SOFTIRQS
};

每種型別都有特定的用途，例如 HI_SOFTIRQ 和 TASKLET_SOFTIRQ 用於執行 Tasklets，而 TIMER_SOFTIRQ 用於執行 Timers。Softirqs 在中斷上下文中執行，因此不能呼叫阻塞函式。如果 Softirq 處理程式需要呼叫阻塞函式，可以排程工作佇列來執行這些阻塞呼叫。

Tasklets

Tasklet 是建立在 Softirqs 之上的另一種下半部機制，同樣在中斷上下文中執行。Tasklet 與 Softirq 的主要區別在於 Tasklet 可以動態分配，因此可以被裝置驅動程式使用。Tasklet 由一個 Tasklet 結構表示，需要在使用前初始化。

Tasklet 在 HI 和 TASKLET Softirqs 中執行。它們在所有中斷啟用的情況下執行，但保證在同一時間只會在一個 CPU 上執行。可以使用 DECLARE_TASKLET 或 tasklet_init 函式初始化 Tasklet。

void handler(unsigned long data);
DECLARE_TASKLET(tasklet, handler, data);

或者手動初始化：

struct tasklet_struct tasklet;
tasklet_init(&tasklet, handler, data);

中斷處理程式可以使用 tasklet_schedule 或 tasklet_hi_schedule 函式排程 Tasklet 的執行。

Timers

Timers 是另一種形式的延遲工作，在中斷上下文中執行，根據 Softirqs 實作。它們由 timer_list 結構定義。使用前，必須透過呼叫 setup_timer 初始化 Timer：

void setup_timer(struct timer_list *timer,
                 void (*function)(unsigned long),
                 unsigned long data);

然後，可以使用 mod_timer 排程 Timer：

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

內容解密：

setup_timer 函式的作用：初始化 timer_list 結構的內部欄位，並將指定的函式作為 Timer 的處理程式。
mod_timer 函式的作用：排程 Timer 的到期時間，並啟動 Timer。
Timer 的使用場景：Linux 驅動程式中使用 Timer 來實作延遲工作，適用於需要週期性或延遲執行的任務。
Timer 的限制：由於 Timer 在中斷上下文中執行，因此不能呼叫阻塞函式，否則會導致系統當機或未定義行為。

中斷處理在裝置驅動程式中的應用

中斷處理基礎

irqreturn_t列舉定義

中斷分享與處理

實驗室練習：按鈕中斷裝置模組

硬體描述

裝置樹描述

程式碼描述

#### 內容解密：

在裝置驅動程式中處理中斷（Handling Interrupts in Device Drivers）

簡介

驅動程式實作步驟

1. 中斷處理函式的編寫

內容解密：

2. 宣告支援的裝置列表

內容解密：

3. 平台驅動程式結構註冊

內容解密：

4. 向平台匯流排註冊驅動程式

內容解密：

程式碼範例完整呈現

Linux 核心中的中斷處理與延遲工作機制

行程上下文與中斷上下文

延遲工作機制

下半部與上半部的區別

Softirqs

Tasklets

Timers

內容解密：

`irqreturn_t`列舉定義