内核学习——0、内核各类机制

本文主要是介绍内核学习——0、内核各类机制，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

1、应用读取驱动四种基本方式：阻塞、非阻塞、poll、异步通知

驱动构造file_operation结构体，里面有open、read、wirte等函数
查询：相当于应用程序非阻塞方式， O_NONBLOCK
休眠–唤醒：相当于应用程序阻塞方式
poll方式：相当于应用程序的poll方式
使用休眠–唤醒方式等待时，可能等待时间久，可以加上一个超时时间，就可以使用poll机制：
app先调用poll函数查询驱动是否有数据，有的话立即返回，没的话就休眠一下，当有数据时唤醒app，超时时间到了也唤醒app
异步通知方式：相当于应用程序异步通知方式
内核给app发信号，SIGIO，app给信号SIGIO注册自己的处理函数，app调用 fcntl 函数，驱动中断触发之后给进程PID发送SIGIO信号，然后app会被打断，先执行信号处理函数

2、gpio和pinctrl：

操作GPIO引脚，先要把引脚配置为GPIO功能，通过Pinctrl子系统实现
Pintctrl用于引脚配置，配置为GPIO还是复用为I2C等其他外设的引脚
GPIO用于标记使用哪些IO、配置引脚方向和引脚配置为输入输出等功能
gpio子系统两套接口： gpiod_xxx 、gpio_xxx
带d的是基于gpio_desc来确定哪一个gpio的，不带d的是基于gpio号的
建议使用devm_gpiod_xxx

3、中断方式：

中断控制器 GIC 统一接管所有外设中断信号，当有外设向CPU发出中断信号时，GIC根据其优先级选出一路信号送达CPU，然后CPU跳转到异常向量表中的中断处理函数，然后进行现场保护、跳转处理函数、从中断退出、恢复现场
中断不同类型：
软件触发中断 （SGI）：常用于CPU核间通信； 中断号 0–15保留用于SGI的中断号
私有外设中断 （PPI）：中断号为 16 – 31 ；标识CPU核私有的中断源，独立于另一个核上的相同中断源， 比如 每个核的计时器 timer
共享外设中断 （SPI）：外设生成，GIC可以将其路由到多个核，中断号 32–1020
硬件中断处理原则：
不能嵌套：防止中断嵌套时栈空间猛增等原因； 即当前中断A没处理完之前，不会响应另一个中断B
越快越好：中断处理过程中，该CPU不能进行进程调度的，所以越快越好 —— 因为进程调度靠定时器实现，中断慢的话，系统卡

4、高低电平触发、边沿触发：

电平触发中断，在电平没有恢复之前，中断会不断触发的
电平触发是即时的，如果外部中断信号申请期间，CPU来不及响应此中断，可能会把此次中断申请漏掉
想要电平触发中断也进行一次，可以中断进入后就关闭中断响应，后面需要时再打开

边沿触发是锁存中断信号的，由D触发器记忆，即：即使当时CPU来不及响应中断，外部中断信号撤销后，由于D触发器的记忆作用，消失的中断信号仍然有效，直到中断被响应并进入中断ISR，记忆的中断信号才会由硬件清除，这也是边沿触发只能触发一次的原因
由于单片机的中断引脚，如果另一端接的VCC则需要设置成上升沿或者高电平触发，接GND可以设置成下降沿或低电平触发

5、中断dts定义、中断申请：

定义interrupt-controller节点一般是bsp dts写好的
要用哪个IO作为 irq，在自己设备节点中使用 interrupt-parent = <&外设>引用即可，然后interrupt = <信号脚 RISING/BOTH>，声明这个外设的具体哪个信号线和是什么电平触发
用某个IO作为中断，dts中一般在某个通讯设备节点中定义，比如SPI、i2c等，若是单独定义一个独立的IO作中断（不在某个spi i2c节点中），就不用定义interrupt-parent和interrupts属性，因为所有gpio在芯片硬件和软件bsp中都可以作为中断
比如：
interrupt-parent = <&gpio0>;
interrupts = <5, IRQ_TYPE_EDGE_RISING>;
解析dts：
内核解析dts，设备节点转化为platform_device，将硬件中断号 hwirq 映射为虚拟中断号 irq，保存在platform_device中，使用reqyest_irq注册中断处理函数时用到这个虚拟中断号 irq
获取中断号：
dts中指定了中断属性，可以用platform_device获得中断资源，即中断号： struct resource *platform_get_resource()；
对于I2C、SPI设备，调用内核xxx_probe将i2c、spi设备转换成i2c_client、spi_device，并且使用of_irq_get（）取出中断号 irq 赋值给结构体里的irq成员
驱动也可自行调用of_irq_get（）函数解析设备树，得到中断号
通过设备节点返回gpio号：og_get_gpio_flags或者of_get_named_gpio_flags，然后用gpio_to_irq通过gpio号得到 irq 号
可以用gpio_to_desc通过gpio号来获得struct gpio_desc进而使用gpiod_xxx设置方向读写等
申请中断：
int request_irq（irq，irq_handle_t handler， xxx）

6、休眠–唤醒机制，且同时支持阻塞和非阻塞：

当应用程序必须等待某个事件发生，比如必须等待按键按下，可以使用 休眠–唤醒 机制：
app调用read等获取数据，进入内核态，有数据则复制到用户空间返回，没有就app休眠，把自己状态改为非RUNNING，内核调度器就不会运行它了，然后等有数据了马上唤醒app，状态改为RUNNING，复制数据到用户空间返回
中断处理函数中不能休眠，不能调用会导致休眠的函数
休眠函数：
参考内核源码：include\linux\wait.h。
函数 说明
wait_event_interruptible(wq, condition) 休眠，直到condition为真； 休眠期间是可被打断的，可以被信号打断
wait_event(wq, condition) 休眠，直到condition为真； 退出的唯一条件是condition为真，信号也不能打断
wait_event_interruptible_timeout(wq, condition, timeout) 休眠，直到condition为真或超时； 休眠期间是可被打断的，可以被信号打断
wait_event_timeout(wq, condition, timeout) 休眠，直到condition为真或超时； 退出的唯一条件是condition为真，信号也不好使
比较重要的参数就是：
① wq：waitqueue，等待队列
休眠时除了把程序状态改为非RUNNING之外，还要把进程/进程放入wq 中，以后中断服务程序要从wq中把它取出来唤醒。
② condition
这可以是一个变量，也可以是任何表达式。表示“一直等待，直到condition为真”。
唤醒函数：
参考内核源码：include\linux\wait.h。
函数 说明
wake_up_interruptible(x) 唤醒x队列中状态为“TASK_INTERRUPTIBLE”的线程，只唤醒其中的一个线程
wake_up_interruptible_nr(x, nr) 唤醒x队列中状态为“TASK_INTERRUPTIBLE”的线程，只唤醒其中的nr个线程
wake_up_interruptible_all(x) 唤醒x队列中状态为“TASK_INTERRUPTIBLE”的线程，唤醒其中的所有线程
wake_up(x) 唤醒x队列中状态为“TASK_INTERRUPTIBLE”或“TASK_UNINTERRUPTIBLE”的线程，只唤醒其中的一个线程
wake_up_nr(x, nr) 唤醒x队列中状态为“TASK_INTERRUPTIBLE”或“TASK_UNINTERRUPTIBLE”的线程，只唤醒其中nr个线程
wake_up_all(x) 唤醒x队列中状态为“TASK_INTERRUPTIBLE”或“TASK_UNINTERRUPTIBLE”的线程，唤醒其中的所有线程
基本做法：
1、初始化wq队列 static DECLEAR_WAIT_QUEUE_HEAD(wq)
2、驱动的read函数中，调用wait_event_interruptible(wq,event)；它会判断event是否是FALSE，FALSE的话就休眠
3、中断服务程序里，读取按键的值，若是被按下，则设置event为TRUE，并调用wake_up_interruptible(wq)唤醒线程，（只调用wake_up_interruptible还不行，必须先将等待条件event设为真）

7、中断方式 + Poll 机制：

使用poll机制 加上一个等待时间，超时或者有数据都会返回，根据返回值区分，有数据时直接read即可，相当于阻塞 + 超时时间

假设一开始无按键数据：
3、app调用poll之后，进入内核态
4、导致驱动的drv_poll被调用
注意，drv_poll要把自己这个线程挂入等待队列wq中；不放入wq队列的话，发生中断时找不到线程； drv_poll还会判断是否有数据，返回这个状态
5、假设当前没有数据，就休眠一会
6、休眠过程中，按键发生了中断，中断服务程序中记录了按键值，并且从wq中把线程唤醒了
7、线程从休眠被唤醒，继续执行for循环，再次调用drv_poll：drv_poll返回数据状态
8、有数据了就从内核返回应用态
9、app调用read读取数据
如果一直没有数据：
6、休眠过程中，一直没有按键，超时时间到：内核将线程唤醒
8、还是没数据，超时时间到了，从内核返回应用
9、app不能调用read去读

使用poll机制时，驱动的核心是提供对应的drv_poll函数：
drv_poll中做两件事：
1、把当前线程挂入队列wq：poll_wait
app调用一次poll，drv_poll可能调用2次或多次，但是我们并不需要把当前线程挂入队列2次
可以使用内核函数poll_wait把线程挂入队列，若已经在队列，不会再次挂入
2、返回设备状态：
app调用poll时，可能是查询“有没有数据可读”：POLLIN，也可能是查询“有没有空间给写数据”：POLLOUT
所以drv_poll要返回自己当前状态：POLLIN | POLLRDNORM 或者 POLLOUT | POLLWRNORM
POLLRDNORM POLLWRNORM：为了兼容某些app把他们一起返回

8、中断方式 + 异步通知 机制：

主要使用信号机制
app向一个具体的驱动程序，注册异步IO事件（SIGIO）的信号，和处理\回调\钩子\handler函数，并告知自己的进程号，并使能异步通知
一个具体的驱动程序，在特定的情况下，通过内核提供的API向APP发异步IO事件（SIGIO）信号
此时app自动去调用并执行 处理\回调\钩子\handler函数
2、app给SIGIO这个信号注册信号处理函数func，以后app收到SIGIO信号时，这个函数会被自动调用
3、把app的PID告诉驱动程序，这个调用不涉及驱动程序，再内核的文件系统层次记录PID
4、读取驱动程序文件Flag
5、设置Flag里面是FASYNC位为1：当FASYNC位发生变化时，会导致驱动程序的fasync被调用
6、7、调用fasync_helper，它会根据FASYNC的值决定是否设置button_async->fa_file = 驱动文件filp：驱动文件filp结构体中含有之前设置的PID
8、app可以做其他事
9、10、按键发生中断，驱动的中断服务被调用，里面调用kill_fasync发信号
11、12、13、app收到信号后，它的信号处理函数被自动调用，可以在里面调用read读取按键

9、内核中定时器的使用 timer：

setup_timer（timer，fn，data）：
设置定时器，主要初始化timer_list结构体，设置其中的函数、参数
func：定时器到时的处理函数指针，通常为设备或组件的中断处理函数，对定时器到期后执行的处理进行回调
data：函数调用回调函数时需要传递的参数
void add_timer（struct timer_list *timer）：
向内核添加定时器，timer->expries表示超时时间
超时时间到达，内核调用timer->function(timer->data)函数
int mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expries)
修改定时器的超时时间，它等同关于
del_timer(timer)
timer->expries = expries9
add_timer(timer)
int del_timer（struct timer_list *timer）：
删除定时器
定时器定时的变量，是内核中全局变量jiffies
CONFIG_HZ = 100，每个滴答是10ms，发生一次tick中断，全局变量jiffies会累加1
原理：
当发生硬件中断时，硬件中断处理完后，内核会调用软件中断的处理函数
定时器就是通过软件中断实现的，它属于TIMER_SOFTIRQ软中断
add_timer函数会把timer放入内核的某个链表，在TIMER_SOFTIRQ处理函数中，会从链表中把这些超时的timer取出来，执行其中的函数

10、mmap内存映射的使用：

使用mmap来对一个文件（实体文件或者块设备驱动文件）重映射到一块内存（虚拟内存），从而让访问该文件内容时就像读写内存一样（指针移动和读写）
常用在文件内容的搬运、屏幕的Framebuffer（将屏幕驱动文件重映射到一块内存，然后读写内存就是操作屏幕）
内存映射就是将内核空间的一段内存区域映射到用户空间，映射成功后，用户对这段内存区域的修改可以直接反映到内核空间，反之亦然，对于内核和用户之间需要大量数据传输等操作时的效率很高
对于大块数据的一次性读写，read并不比mmap差，对于需要频繁读写操作的，mmap效率才会显著提高

11、中断上下半部：

硬件中断：每个硬件中断都有对应的处理函数
软件中断：软中断的产生由软件决定，设置flag为1表示发生该中断，异步通知等， 设置软件中断：raise_softirq，
上半部：在中断handler中处理紧急不耗时的事件，比如设置定时器、寄存器等，原子操作（系统自动在处理前后disable中断和enable中断），不能被其他任何中断打断，
下半部：处理不是很紧急的事情，不是原子操作，可以被其他中断打断；主要思想是软中断（tasklet 小任务）或者内核线程（worq queue），或者每个中断下半部单独开一个内核线程（threaded irq）
tasklet：软中断回调函数里面：
不能休眠，用于下半部要做的事情耗时不是太长的小任务，它和定时器都是在中断上下文执行，处理耗时复杂任务会等待浪费CPU
struct tasklet_struct xxx
DECLEAR_TASKLET(name, func, data)
tasklet_init(xxx, func, data)
tasklet_schdule(xxx)
tasklet_kill(xxx)
tasklet_schedule调度tasklet时，不会立即执行，只是把它放入队列中，多次调用也只会放如队列一次

work queue：放到一个内核线程的执行队列中，由多个中断下半部时，这一个内核线程会挨个去处理：
可以休眠，处理下半部太长任务复杂的，在中断上半部将一个执行下半部任务的函数放入work结构体里面，然后将这个work放入work queue队列 里面，后面kworker内核线程会一次执行队列里的work函数，缺点是一个kworker运行在一个cpu中，无法多核分担负载
struct work_struct xxx
DECLEAR_WORK(xxx , func)
INIT_WORK(xxx, func)
schedule_work(xxx)
schedule_delayed_work(xxx, time)； 延迟一定时间去执行一个具体的任务work
queue_work：schedule_work是在系统默认的工作队列上执行一个work，queue_work需要自己指定工作队列
queue_delay_work：多了个延时
flush_work：等待一个work执行完毕，work放入队列，本函数等待它执行完毕，返回true，若是work已经执行完毕，返回false
flash_delay_work：等待一个delay_work完成

threaded irq：中断的线程化处理，每个中断单独开一个线程处理，多个中断下半部互相独立处理，多个内核线程可以充分利用多个cpu核心，比较高效：
可以休眠，可以弥补work queue多任务运行在单核的缺点

发生中断，会立即调用handler函数，然后唤醒某个内核线程，内核线程再执行thread_fn函数
可以提供handler而不提供thread_fn，就退化成一般的request_fn函数
可以不提供handler只提供threadf_fn，完全由内核线程处理中断，内核会提供默认的上半部处理函数：irq_default_primary_handler，它是直接返回IRQ_WAKE_THREAD，然后执行thread_fn
既提供handler也提供thread_fn，这就是中断上下半部，handler的返回值必须是IRQ_WAKE_THREAD，然后执行thread_fn，在thread_fn中，中断被正确处理，应该返回IRQ_HANDLED
一般在 模块加载 或者 platform_driver 的 probe 里面使用下面，来注册中断，替代 request_irq：
err = request_threaded_irq(gpio_keys_100ask[i].irq,
gpio_key_isr, 中断上半部，中断回调函数
gpio_key_thread_func, 中断下半部，新创建内核线程要执行的函数
IRQF_TRIGGER_RISING | IRQF_TRIGGER_FALLING,
“100ask_gpio_key”,
&gpio_keys_100ask[i]);

这篇关于内核学习——0、内核各类机制的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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