cyliu
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中断机制

楼主#
更多 发布于:2008-11-23 12:13
现在我们来分析一下Linux操作系统为了支持中断机制,具体都需要做些什么工作。
首先,操作系统必须保证新的中断能够被支持。计算机系统硬件留给外设的是一个统一的中断信号接口。它固化了中断信号的接入和传递方法,拿PC机来说,中断机制是靠两块8259和CPU协作实现的。外设要做的只是把中断信号发送到8259的某个特定引脚上,这样8259就会为此中断分配一个标识 ——也就是通常所说的中断向量,通过中断向量,CPU就能够在以中断向量为索引的表——中断向量表——里找到中断服务程序,由它决定具体如何处理中断。这是硬件规定的机制,软件只能无条件服从。
因此,操作系统对新中断的支持,说简单点,就是维护中断向量表。新的外围设备加入系统,首先得明确自己的中断向量号是多少,还得提供自身中断的服务程序,然后利用Linux的内核调用界面,把〈中断向量号、中断服务程序〉这对信息填写到中断向量表中去。这样CPU在接收到中断信号时就会自动调用中断服务程序了。这种注册操作一般是由设备驱动程序完成的。
其次,操作系统必须提供给程序员简单可靠的编程界面来支持中断。中断的基本流程前面已经讲了,它会打断当前正在进行的工作去执行中断服务程序,然后再回到先前的任务继续执行。这中间有大量需要解决问题:如何保护现场、嵌套中断如何处理等等,操作系统要一一化解。程序员,即使是驱动程序的开发人员,在写中断服务程序的时候也很少需要对被打断的进程心存怜悯。(当然,出于提高系统效率的考虑,编写驱动程序要比编写用户级程序多一些条条框框,谁让我们顶着系统程序员的光环呢?)
操作系统为我们屏蔽了这些与中断相关硬件机制打交道的细节,提供了一套精简的接口,让我们用极为简单的方式实现对实际中断的支持,Linux是怎么完美的做到这一点的呢?
  
CPU对中断处理的流程
我们首先必须了解CPU在接收到中断信号时会做什么。没办法,操作系统必须了解硬件的机制,不配合硬件就寸步难行。现在我们假定内核已被初始化,CPU在保护模式下运行。
  
CPU执行完一条指令后,下一条指令的逻辑地址存放在cs和eip这对寄存器中。在执行新指令前,控制单元会检查在执行前一条指令的过程中是否有中断或异常发生。如果有,控制单元就会抛下指令,进入下面的流程:
1.确定与中断或异常关联的向量i (0£i£255)。
2.籍由idtr寄存器从IDT表中读取第i项(在下面的描述中,我们假定该IDT表项中包含的是一个中断门或一个陷阱门)。
3.从gdtr寄存器获得GDT的基地址,并在GDT表中查找,以读取IDT表项中的选择符所标识的段描述符。这个描述符指定中断或异常处理程序所在段的基地址。
4.确信中断是由授权的(中断)发生源发出的。首先将当前特权级CPL(存放在cs寄存器的低两位)与段描述符(存放在GDT中)的描述符特权级DPL比较,如果CPL小于DPL,就产生一个“通用保护”异常,因为中断处理程序的特权不能低于引起中断的程序的特权。对于编程异常,则做进一步的安全检查:比较CPL与处于IDT中的门描述符的DPL,如果DPL小于CPL,就产生一个“通用保护”异常。这最后一个检查可以避免用户应用程序访问特殊的陷阱门或中断门。
  
5.检查是否发生了特权级的变化,也就是说, CPL是否不同于所选择的段描述符的DPL。如果是,控制单元必须开始使用与新的特权级相关的栈。通过执行以下步骤来做到这点:
    a.读tr寄存器,以访问运行进程的TSS段。
b.用与新特权级相关的栈段和栈指针的正确值装载ss和esp寄存器。这些值可以在TSS中找到(参见第三章的“任务状态段”一节)。
c.在新的栈中保存ss和esp以前的值,这些值定义了与旧特权级相关的栈的逻辑地址。
  
    6.如果故障已发生,用引起异常的指令地址装载cs和eip寄存器,从而使得这条指令能再次被执行。
    7.在栈中保存eflag、cs及eip的内容。
8.如果异常产生了一个硬错误码,则将它保存在栈中。
9.装载cs和eip寄存器,其值分别是IDT表中第i项门描述符的段选择符和偏移量域。这些值给出了中断或者异常处理程序的第一条指令的逻辑地址。
  
控制单元所执行的最后一步就是跳转到中断或者异常处理程序。换句话说,处理完中断信号后, 控制单元所执行的指令就是被选中处理程序的第一条指令。
  
中断或异常被处理完后,相应的处理程序必须0x20/0x21/0xa0/0xa1
产生一条iret指令,把控制权转交给被中断的进程,这将迫使控制单元:
1.用保存在栈中的值装载cs、eip、或eflag寄存器。如果一个硬错误码曾被压入栈中,并且在eip内容的上面,那么,执行iret指令前必须先弹出这个硬错误码。
2.检查处理程序的CPL是否等于cs中最低两位的值(这意味着被中断的进程与处理程序运行在同一特权级)。如果是,iret终止执行;否则,转入下一步。
3. 从栈中装载ss和esp寄存器,因此,返回到与旧特权级相关的栈。
4.       检查ds、es、fs及gs段寄存器的内容,如果其中一个寄存器包含的选择符是一个段描述符,并且其DPL值小于CPL,那么,清相应的段寄存器。控制单元这么做是为了禁止用户态的程序(CPL=3)利用内核以前所用的段寄存器(DPL=0)。如果不清这些寄存器,怀有恶意的用户程序就可能利用它们来访问内核地址空间。
  
再次,操作系统必须保证中断信息能够高效可靠的传递
  
实例一——为自己的操作系统中加入中断
中断机制的实现
在这个部分,我将为大家详细介绍SagaLinux_irq中是如何处理中断的。为了更好的演示软硬件交互实现中断机制的过程,我将在前期实现的SagaLinux上加入对一个新中断­——定时中断——的支持。
首先,让我介绍一下SagaLinux_irq中涉及中断的各部分代码。这些代码主要包含在kernel目录下,包括idt.c,irq.c,i8259.s,boot目录下的setup.s也和中断相关,下面将对他们进行讨论。
1、boot/setup.s
setup.s中相关于中断的部分主要集中在pic_init小结,该部分完成了对中断控制器的初始化。对8259A的编程是通过向其相应的端口发送一系列的ICW(初始化命令字)完成的。总共需要发送四个ICW,它们都分别有自己独特的格式,而且必须按次序发送,并且必须发送到相应的端口,具体细节请查阅相关资料。
pic_init:
    cli
    mov al, 0x11            ; initialize PICs
; 给中断寄存器编程
; 发送ICW1:使用ICW4,级联工作
    out 0x20, al            ; 8259_MASTER
    out 0xA0, al            ; 8259_SLAVE
    ; 发送 ICW2,中断起始号从 0x20 开始(第一片)及 0x28开始(第二片)
    mov al,   0x20          ; interrupt start 32
    out 0x21, al
    mov al,   0x28          ; interrupt start 40
    out 0xA1, al
; 发送 ICW3
    mov al,   0x04          ; IRQ 2 of 8259_MASTER
    out 0x21, al        
; 发送 ICW4
    mov al,   0x02          ; to 8259_SLAVE
    out 0xA1, al
; 工作在80x86架构下
    mov al,   0x01          ; 8086 Mode
    out 0x21, al
    out 0xA1, al
; 设置中断屏蔽位 OCW1 ,屏蔽所有中断请求
    mov al,   0xFF          ; mask all
    out 0x21, al
    out 0xA1, al
    sti
    
2、kernel/irq.c
    irq.c提供了三个函数enable_irq、disable_irq和request_irq,函数原型如下:
  
void enable_irq(int irq)
void disable_irq(int irq)
void request_irq(int irq, void (*handler)())
      
enable_irq和disable_irq用来开启和关闭右参数irq指定的中断,这两个函数直接对8259的寄存器进行操作,因此irq 对应的是实实在在的中断号,比如说X86下时钟中断一般为0号中断,那么启动时钟中断就需要调用enable_irq(1),而键盘一般占用2号中断,那么关闭键盘中断就需要调用disable_irq(2)。irq对应的不是中断向量。
equest_irq用来将中断号和中断服务程序绑定起来,绑定完成后,命令8259开始接受中断请求。下面是request_irq的实现代码:
void request_irq(int irq, void (*handler)())
{
  irq_handler[irq] = handler;
  enable_irq(irq);
}
 其中irq_handler是一个拥有16个元素的数组,数组项是指向函数的指针,每个指针可以指向一个中断服务程序。 irq_handler[irq] = handler 就是一个给数组项赋值的过程,其中隐藏了中断号向中断向量映射的过程,在初始化IDT表的部分,我会介绍相关内容。
  
3、kernel/i8259.s[2]
i8259.c负责对外部中断的支持。我们已经讨论过了,8259芯片负责接收外部设备——如定时器、键盘、声卡等——的中断,两块8259共支持16个中断。
我们也曾讨论过,在编写操作系统的时候,我们不可能知道每个中断到底对应的是哪个中断服务程序。实际上,通常在这个时候,中断服务程序压根还没有被编写出来。可是,X86体系规定,在初始化中断向量表的时候,必须提供每个向量对应的服务程序的偏移地址,以便CPU在接收到中断时调用相应的服务程序,这该如何是好呢?
巧妇难为无米之炊,此时此刻,我们只有创造所有中断对应的服务程序,才能完成初始化IDT的工作,于是我们制造出16个函数——__irq0到 __irq15,在注册中断服务程序的时候,我们就把它们填写到IDT的描述符中去。(在SagaLinux中当前的实现里,我并没有填写完整的IDT 表,为了让读者看得较为清楚,我只加入了定时器和键盘对应的__irq和__irq1。但这样一来就带来一个恶果,读者会发现在加入新的中断支持时,需要改动idt.c中的trap_init函数,用set_int_gate对新中断进行支持。完全背离了我们强调的分隔变化的原则。实际上,只要我们在这里填写完整,并提供一个缺省的中断服务函数就可以解决这个问题。我再强调一遍,这不是设计问题,只是为了便于读者观察而做的简化。)
可是,这16个函数怎么能对未知的中断进行有针对性的个性化服务呢?当然不能,这16个函数只是一个接口,我们可以在其中留下后门,当新的中断需要被系统支持时,它实际的中断服务程序就能被这些函数调用。具体调用关系请参考图2
如图2所示,__irq0到__irq15会被填充到IDT从32到47(之所以映射到这个区间是为了模仿Linux的做法,其实这部分的整个实现都是在模仿Linux)这16个条目的中断描述符中去,这样中断到来的时候就会调用相应的__irq函数。所有irq函数所作的工作基本相同,把中断号压入栈中,再调用do_irq函数;它们之间唯一区别的地方就在于不同的irq函数压入的中断号不同。
 do_irq首先会从栈中取出中断号,然后根据中断号计算该中断对应的中断服务程序在irq_handler数组中的位置,并跳到该位置上去执行相应的服务程序。
 还记得irq.c中介绍的request_irq函数吗,该函数绑定中断号和中断服务程序的实现,其实就是把指向中断服务程序的指针填写到中断号对应的irq_handler数组中去。现在,你应该明白我们是怎样把一个中断服务程序加入到SagaLinux中的了吧——通过一个中间层,我们可以做任何事情。
在上图的实现中,IDT表格中墨绿色的部分——外部中断对应的部分——可以浮动,也就是说,我们可以任意选择映射的起始位置,比如说,我们让__irq0映射到IDT的第128项,只要后续的映射保持连续就可以了。
  
4、kernel/idt.c
idt.c当然是用来初始化IDT表的了。
在i8259.s中我们介绍了操作系统是如何支持中断服务程序的添加的,但是,有两个部分的内容没有涉及:一是如何把__irq函数填写到IDT表中,另外一个就是中断支持了,那异常怎么支持呢?idt.c负责解决这两方面的问题。
idt.c提供了trap_init函数来填充IDT表。
           void trap_init()
{
  int i;
  idtr_t idtr;
  // 填入系统默认的异常,共17个
  set_trap_gate(0, (unsigned int)&divide_error);
  set_trap_gate(1, (unsigned int)&debug);
  set_trap_gate(2, (unsigned int)&nmi);
  set_trap_gate(3, (unsigned int)&int3);
  set_trap_gate(4, (unsigned int)&overflow);
  set_trap_gate(5, (unsigned int)&bounds);
  set_trap_gate(6, (unsigned int)&invalid_op);
  set_trap_gate(7, (unsigned int)&device_not_available);
  set_trap_gate(8, (unsigned int)&double_fault);
  set_trap_gate(9, (unsigned int)&coprocessor_segment_overrun);
  set_trap_gate(10,(unsigned int) &invalid_TSS);
  set_trap_gate(11, (unsigned int)&segment_not_present);
  set_trap_gate(12, (unsigned int)&stack_segment);
  set_trap_gate(13, (unsigned int)&general_protection);
  set_trap_gate(14, (unsigned int)&page_fault);
  set_trap_gate(15, (unsigned int)&coprocessor_error);
  set_trap_gate(16, (unsigned int)&alignment_check);
  
 // 17到31这15个异常是intel保留的,最好不要占用
  for (i = 17;i<32;i++)
    set_trap_gate(i, (unsigned int)&reserved);
  
  // 我们只在IDT中填入定时器和键盘要用到的两个中断
  set_int_gate(32, (unsigned int)&__irq0);  
  set_int_gate(33, (unsigned int)&__irq1);
  
// 一共有34个中断和异常需要支持
  idtr.limit = 34*8;
  idtr.lowerbase = 0x0000;
  idtr.higherbase = 0x0000;
  cli();
// 载入IDT表,新的中断可以用了
  __asm__ __volatile__ ("lidt (%0)"
            ::"p" (&idtr));
  sti();
}
  
首先我们来看看set_trap_gate和set_int_gate函数,下面是它们两个的实现
void set_trap_gate(int vector, unsigned int handler_offset)
{
  trapgd_t* trapgd = (trapgd_t*) IDT_BASE + vector;
  trapgd->loffset = handler_offset & 0x0000FFFF;
  trapgd->segment_s = CODESEGMENT;
  trapgd->reserved = 0x00;
  trapgd->options =  0x0F | PRESENT | KERNEL_LEVEL;
  trapgd->hoffset = ((handler_offset & 0xFFFF0000) >> 16);
}
  
void set_int_gate(int vector,  unsigned int handler_offset)
{
  intgd_t* intgd = (intgd_t*) IDT_BASE + vector;
  intgd->loffset =  handler_offset & 0x0000FFFF;
  intgd->segment_s = CODESEGMENT;
  intgd->reserved = 0x0;
  intgd->options =  0x0E | PRESENT | KERNEL_LEVEL;
  intgd->hoffset = ((handler_offset & 0xFFFF0000) >> 16);  
}

我们可以发现,它们所作的工作就是根据中断向量号计算出应该把指向中断或异常服务程序的指针放在什么IDT表中的什么位置,然后把该指针和中断描述符设置好就行了。同样,中断描述符的格式请查阅有关资料。
现在,来关注一下set_trap_gate的参数,又是指向函数的指针。在这里,我们看到每个这样的指针指向一个异常处理函数,如divide_error、debug等:
void divide_error(void)
{
  sleep("divide error");
}
void debug(void)
{
  sleep("debug");
}
    每个函数都调用了sleep,那么sleep是有何作用?是不是像——do_irq一样调用具体异常的中断服务函数呢?
// Nooooo ... just sleep :)
void sleep(char* message)
{
  printk("%s",message);
  while(1);
}
    看样子不是,这个函数就是休眠而已!实际上,我们这里进行了简化,对于Intel定义好的前17个内部异常,目前SagaLinux还不能做有针对性的处理,因此我们直接让系统无限制地进入休眠——跟死机区别不大。因此,当然也不用担心恢复“现场”的问题了,不用考虑栈的影响,所以直接用C函数实现。
此外,由于这17个异常如何处理在这个时候我们已经确定下来了——sleep,既然没有什么变化,我们也就不用耗尽心思的考虑去如何支持变化了,直接把函数硬编码就可以了。
Intel规定中断描述符表的第17-31项保留,为硬件将来可能的扩展用,因此我们这里将它闲置起来。
void reserved(void)
{
sleep("reserved");
}
下面的部分是对外部中断的初始化,放在trap_init中是否有些名不正言不顺呢?确实如此,这个版本暂时把它放在这里,以后重构的时候再调整吧。注意,这个部分解释了我们是如何把中断服务程序放置到IDT中的。此外,可以看出,我们使用手工方式对中断向量号进行了映射,__irq0对应32 号中断,而__irq1对应33号中断。能不能映射成别的向量呢?当然可以,可是别忘了修改setup.s中的pic_init部分,要知道,我们初始化 8259的时候定义好了外部中断对应的向量,如果你希望从8259发来的中断信号能正确的触发相应的中断服务程序,当然要把所有的接收——处理链条上的每个映射关系都改过来。
我们只填充了34个表项,每个表项8字节长,因此我们把IDT表的长度上限设为34x8,把IDT表放置在逻辑地址起始的地方(如果我们没有启用分页机制,那么就是在线性空间起始的地方,也就是物理地址的0位置处)。
最后,调用ldtr指令启用新的中断处理机制,SagaLinux的初步中断支持机制就完成了。

下面,我们以定时器(timer)设备为例,展示如何通过SagaLinux目前提供的中断服务程序接口来支持设备的中断。
IBM PC兼容机包含了一种时间测量设备,叫做可编程间隔定时器(PIT)。PIT的作用类似于闹钟,在设定的时间点到来的时候发出中断信号。这种中断叫做定时中断(timer interrupt)。在Linux操作系统中,就是它来通知内核又一个时间片断过去了。与闹钟不同,PIT以某一固定的频率(编程控制)不停地发出中断。每个IBM PC兼容机至少都会包含一个PIT,一般来说,它就是一个使用0x40~0x43 I/O端口的8254CMOS芯片。
    SagaLinux目前的版本还不支持进程调度,因此定时中断的作用还不明显,不过,作为一个做常见的中断源,我们可以让它每隔一定时间发送一个中断信号,而我们在定时中断的中断服务程序中计算流逝过去的时间数,然后打印出结果,充分体现中断的效果。
我们在kernel目录下编写了timer.c文件,也在include目录下加入了相应的timer.h,下面就是具体的实现。
// 流逝的时间
static volatile ulong_t counter;
        // 中断服务程序
void timer_handler()
{
  // 中断每10毫秒一次
  counter += 10;
}
  
// 初始化硬件和技术器,启用中断
void timer_init()
{
  ushort_t pit_counter = CLOCK_RATE * INTERVAL / SECOND;
  counter = 0;
  
  outb (SEL_CNTR0|RW_LSB_MSB|MODE2|BINARY_STYLE, CONTROL_REG);
  outb (pit_counter & 0xFF, COUNTER0_REG);
  outb (pit_counter >> 8, COUNTER0_REG);
  // 申请0号中断,TIMER定义为0
  request_irq(TIMER, timer_handler);
}
  
// 返回流逝过去的时间
ulong_t uptime()
{
  return counter;
}
timer_init函数是核心函数,负责硬件的初始化和中断的申请,对8254的初始化就不多做纠缠了,请查阅有关资料。我们可以看到,申请中断确实跟预想中的一样容易,调用request_irq,一行语句就完成了中断的注册。
而中断服务程序非常简单,由于把8254设置为每10毫秒发送一次中断,因此每次中断到来时都在服务程序中对counter加10,所以counter表示的就是流逝的时间。
在kernel.c中,我们调用timer_init进行初始化,此时定时中断就被激活了,如果我们的中断机制运转顺利,那么流逝时间会不断增加。为了显示出这样的结果,我们编写一个循环不断的调uptime函数,并把返回的结果打印在屏幕上。如果打印出的数值越来越大,那就说明我们的中断机制确确实实发挥了作用,定时中断被驱动起来了。
              在kernel.c中:
              // 初始化
              int i = 0;
              timer_init();
              i = uptime();
  while(1)
         {
      int temp = uptime();
      // 发生变化才打印,否则看不清楚
      if (temp != i)
  {
                printk(" %d ", temp);
        i = temp;
      }
 当SagaLinux_irq引导后,你会发现屏幕上开始不停的打印逐渐增大的数字,系统对定时中断的支持,确实成功了。
为了验证中断支持的一般性,我们又加入了对键盘的支持。这样还可以充分体现中断对并发执行任务带来的帮助,在你按下键盘的时候,定时中断依然不断触发,屏幕上会打印出时间,当然,也会打印出你按下的字符。不过,这里就不对此做进一步描述了。  

实例二——从RTC设备学习中断
系统实时钟
每台PC机都有一个实时钟(Real Time Clock)设备。在你关闭计算机电源的时候,由它维持系统的日期和时间信息。
此外,它还可以用来产生周期信号,频率变化范围从2Hz到8192Hz——当然,频率必须是2的倍数。这样该设备就能被当作一个定时器使用,比如我们把频率设定为4Hz,那么设备启动后,系统实时钟每秒就会向CPU发送4次定时信号——通过8号中断提交给系统(标准PC机的IRQ 8是如此设定的)。由于系统实时钟是可编程控制的,你也可以把它设成一个警报器,在某个特定的时刻拉响警报——向系统发送IRQ 8中断信号。由此看来,IRQ 8与生活中的闹铃差不多:中断信号代表着报警器或定时器的发作。
在Linux操作系统的实现里,上述中断信号可以通过/dev/rtc(主设备号10,从设备号135,只读字符设备)设备获得。对该设备执行读(read)操作,会得到unsigned long型的返回值,最低的一个字节表明中断的类型(更新完毕update-done,定时到达alarm-rang,周期信号periodic);其余字节包含上次读操作以来中断到来的次数。如果系统支持/proc文件系统,/proc/driver/rtc中也能反映相同的状态信息。
该设备只能由每个进程独占,也就是说,在一个进程打开(open)设备后,在它没有释放前,不允许其它进程再打开它。这样,用户的程序就可以通过对/dev/rtc执行read()或select()系统调用来监控这个中断——用户进程会被阻塞,直到系统接收到下一个中断信号。对于一些高速数据采集程序来说,这个功能非常有用,程序无需死守着反复查询,耗尽所有的CPU资源;只要做好设定,以一定频率进行查询就可以了。
#include <stdio.h>
#include <linux/rtc.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <sys/time.h>
#include <sys/types.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
  
int main(void)
{
  int i, fd, retval, irqcount = 0;
  unsigned long tmp, data;
  struct rtc_time rtc_tm;
  
  // 打开RTC设备
  fd = open ("/dev/rtc", O_RDONLY);
  
  if (fd ==  -1) {
    perror("/dev/rtc");
    exit(errno);
  }
  
  fprintf(stderr, "\n\t\t\tEnjoy TV while boiling water.\n\n");
  // 首先是一个报警器的例子,设定10分钟后"响铃"    
  // 获取RTC中保存的当前日期时间信息
  /* Read the RTC time/date */
  retval = ioctl(fd, RTC_RD_TIME, &rtc_tm);
  if (retval == -1) {
    perror("ioctl");
    exit(errno);
  }
  fprintf(stderr, "\n\nCurrent RTC date/time is %d-%d-%d,%02d:
%02d:%02d.\n",    
      rtc_tm.tm_mday, rtc_tm.tm_mon + 1, rtc_tm.tm_year + 1900,
      rtc_tm.tm_hour, rtc_tm.tm_min, rtc_tm.tm_sec);
  // 设定时间的时候要避免溢出
  rtc_tm.tm_min += 10;
  if (rtc_tm.tm_sec >= 60) {
    rtc_tm.tm_sec %= 60;
    rtc_tm.tm_min++;
  }
  if  (rtc_tm.tm_min == 60) {
    rtc_tm.tm_min = 0;
    rtc_tm.tm_hour++;
  }
if  (rtc_tm.tm_hour == 24)
    rtc_tm.tm_hour = 0;
  // 实际的设定工作
  retval = ioctl(fd, RTC_ALM_SET, &rtc_tm);
  if (retval == -1) {
    perror("ioctl");
    exit(errno);
  }
  // 检查一下,看看是否设定成功
  /* Read the current alarm settings */
  retval = ioctl(fd, RTC_ALM_READ, &rtc_tm);
  if (retval == -1) {
    perror("ioctl");
    exit(errno);
  }
  fprintf(stderr, "Alarm time now set to %02d:%02d:%02d.\n",
      rtc_tm.tm_hour, rtc_tm.tm_min, rtc_tm.tm_sec);
  // 光设定还不成,还要启用alarm类型的中断才行
  /* Enable alarm interrupts */
  retval = ioctl(fd, RTC_AIE_ON, 0);
  if (retval == -1) {
    perror("ioctl");
    exit(errno);
  }
  // 现在程序可以耐心的休眠了,10分钟后中断到来的时候它就会被唤醒
  /* This blocks until the alarm ring causes an interrupt */
  retval = read(fd, &data, sizeof(unsigned long));
  if (retval == -1) {
    perror("read");
    exit(errno);
  }
  irqcount++;
  fprintf(stderr, " okay. Alarm rang.\n");
}
这个例子稍微显得有点复杂,用到了open、ioctl、read等诸多系统调用,初看起来让人眼花缭乱。其实如果简化一下的话,过程还是“烧开水”:设定定时器、等待定时器超时、执行相应的操作(“关煤气灶”)。
读者可能不理解的是:这个例子完全没有表现出中断带来的好处啊,在等待10分钟的超时过程中,程序依然什么都不能做,只能休眠啊?
读者需要注意自己的视角,我们所说的中断能够提升并发处理能力,提升的是CPU的并发处理能力。在这里,上面的程序可以被看作是烧开水,在烧开水前,闹铃已经被上好,10分钟后CPU会被中断(闹铃声)惊动,过来执行后续的关煤气工作。也就是说,CPU才是这里唯一具有处理能力的主体,我们在程序中主动利用中断机制来节省CPU的耗费,提高CPU的并发处理能力。这有什么好处呢?试想如果我们还需要CPU烤面包,CPU就有能力完成相应的工作,其它的工作也一样。这其实是在多任务操作系统环境下程序生存的道德基础——“我为人人,人人为我”。
好了,这段程序其实是我们进入Linux中断机制的引子,现在我们就进入Linux中断世界。
更详细的内容和其它一些注意事项请参考内核源代码包中Documentations/rtc.txt
RTC中断服务程序
RTC中断服务程序包含在内核源代码树根目录下的driver/char/rtc.c文件中,该文件正是RTC设备的驱动程序——我们曾经提到过,中断服务程序一般由设备驱动程序提供,实现设备中断特有的操作。
SagaLinux中注册中断的步骤在Linux中同样不能少,实际上,两者的原理区别不大,只是Linux由于要解决大量的实际问题(比如SMP的支持、中断的共享等)而采用了更复杂的实现方法。
RTC驱动程序装载时,rtc_init()函数会被调用,对这个驱动程序进行初始化。该函数的一个重要职责就是注册中断处理程序:

        if (request_irq(RTC_IRQ,rtc_interrupt,SA_INTERRUPT,”rtc”,NULL)){

           printk(KERN_ERR “rtc:cannot register IRQ %d\n”,rtc_irq);

                return –EIO;

        }

这个request_irq函数显然要比SagaLinux中同名函数复杂很多,光看看参数的个数就知道了。不过头两个参数两者却没有区别,依稀可以推断出:它们的主要功能都是完成中断号与中断服务程序的绑定。
关于Linux提供给系统程序员的、与中断相关的函数,很多书籍都给出了详细描述,如“Linux Kernel Development”。我这里就不做重复劳动了,现在集中注意力在中断服务程序本身上。
static irqreturn_t rtc_interrupt(int irq, void *dev_id,
struct pt_regs *regs)
{
        BMP位图的编码和解码
         *     Can be an alarm interrupt, update complete interrupt,
         *     or a periodic interrupt. We store the status in the
         *     low byte and the number of interrupts received since
         *     the last read in the remainder of rtc_irq_data.
         */
        spin_lock (&rtc_lock);
        rtc_irq_data += 0x100;
        rtc_irq_data &= ~0xff;
        rtc_irq_data |= (CMOS_READ(RTC_INTR_FLAGS) & 0xF0);
  
        if (rtc_status & RTC_TIMER_ON)
                mod_timer(&rtc_irq_timer,
jiffies + HZ/rtc_fre
q
 + 2*HZ/100);
        spin_unlock (&rtc_lock);
        /* Now do the rest of the actions */
        spin_lock(&rtc_task_lock);
        if (rtc_callback)
                rtc_callback->func(rtc_callback->private_data);
        spin_unlock(&rtc_task_lock);
        wake_up_interruptible(&rtc_wait);      
        kill_fasync (&rtc_async_queue, SIGIO, POLL_IN);
        return IRQ_HANDLED;
}
这里先提醒读者注意一个细节:中断服务程序是static类型的,也就是说,该函数是本地函数,只能在rtc.c文件中调用。这怎么可能呢?根据我们从SagaLinux中得出的经验,中断到来的时候,操作系统的中断核心代码一定会调用此函数的,否则该函数还有什么意义?实际上, request_irq函数会把指向该函数的指针注册到相应的查找表格中(还记得SagaLinux中的irq_handler[]吗?)。static 只能保证rtc.c文件以外的代码不能通过函数名字显式的调用函数,而对于指针,它就无法画地为牢了。
程序用到了spin_lock函数,它是Linux提供的自旋锁相关函数,关于自旋锁的详细情况,我们会在以后的文章中详细介绍。你先记住,自旋锁是用来防止SMP结构中的其他CPU并发访问数据的,在这里被保护的数据就是rtc_irq_data。rtc_irq_data存放有关RTC的信息,每次中断时都会更新以反映中断的状态。
接下来,如果设置了RTC周期性定时器,就要通过函数mod_timer()对其更新。定时器是Linux操作系统中非常重要的概念,我们会在以后的文章中详加解释。
代码的最后一部分要通过设置自旋锁进行保护,它会执行一个可能被预先设置好的回调函数。RTC驱动程序允许注册一个回调函数,并在每个RTC中断到来时执行。
wake_up_interruptible是个非常重要的调用,在它执行后,系统会唤醒睡眠的进程,它们等待的RTC中断到来了。这部分内容涉及等待队列,我们也会在以后的文章中详加解释。
感受RTC——最简单的改动
我们来更进一步感受中断,非常简单,我们要在RTC的中断服务程序中加入一条printk语句,打印什么呢?“I’m coming, interrupt!”。
下面,我们把它加进去:
… …
spin_unlock(&rtc_task_lock);
printk(“I’m coming , interrupt!\n”);
wake_up_interruptible(&rtc_wait);    
… …
没错,就先做这些,请你找到代码树的drivers\char\rtc.c文件,在其中irqreturn_t rtc_interrupt函数中加入这条printk语句。然后重新编译内核模块(当然,你要在配置内核编译选项时包含RTC,并且以模块形式)现在,当我们插入编译好的rtc.o模块,执行前面实时钟部分介绍的用户空间程序,你就会看到屏幕上打印的“I’m coming , interrupt!”信息了。
这是一次实实在在的中断服务过程,如果我们通过ioctl改变RTC设备的运行方式,设置周期性到来的中断的话,假设我们将频率定位8HZ,你就会发现屏幕上每秒打印8次该信息。
动手修改RTC实际上是对中断理解最直观的一种办法,我建议你不但注意中断服务程序,还可以看一下RTC驱动中ioctl的实现,这样你会更加了解外部设备和驱动程序、中断服务程序之间实际的互动情况。
不仅如此,通过修改RTC驱动程序,我完成了不少稀奇古怪的工作,比如说,在高速数据采集过程中,我就是利用高频率的RTC中断检查高速AD采样板硬件缓冲区使用情况,配合DMA共同完成数据采集工作的。当然,在有非常严格时限要求的情况下,这样不一定适用。但是,在两块12位20兆采样率的 AD卡交替工作,对每秒1KHz的雷达视频数据连续采样的情况下,我的RTC跑得相当好。
当然,这可能不是一种美观和标准的做法,但是,我只是一名程序员而不是艺术家,只是了解了这么一点点中断知识,我就完成了工作,我想或许您也希望从系统底层的秘密中获得收益吧,让我们在以后的文章中再见。
  

[1]那么PowerOff(关机)算不算中断呢?如果从字面上讲,肯定符合汉语对中断的定义,但是从信号格式、处理方法等方面来看,就很难符合我们的理解了。Intel怎么说的呢?该中断没有采用通用的中断处理机制。那么到底是不时中断呢?我也说不上来:(
  
[2]之所以这里使用汇编而不是C来实现这些函数,是因为C编译器会在函数的实现中推入额外的栈信息。而CPU在中断来临时保存和恢复现场都按照严格的格式进行,一个字节的变化都不能有。
走走看看开源好 Solaris vs Linux
游客

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