Linux中断处理体系结构

ARM架构Linux内核的异常处理体系结构，可以由arch/arm/kernel/entry-armv.S中的异常向量反应出来，

.equ	stubs_offset, __vectors_start + 0x200 - __stubs_start

.globl	__vectors_start
__vectors_start:
ARM(	swi	SYS_ERROR0	)
THUMB(	svc	#0		)
THUMB(	nop			)
W(b)	vector_und + stubs_offset
W(ldr)	pc, .LCvswi + stubs_offset
W(b)	vector_pabt + stubs_offset
W(b)	vector_dabt + stubs_offset
W(b)	vector_addrexcptn + stubs_offset
W(b)	vector_irq + stubs_offset
W(b)	vector_fiq + stubs_offset

.globl	__vectors_end
__vectors_end:

对于我来说理解这段代码有难度：
（1）找不到标号vector_xxxx
在网上找了.macro vector_stub, name, mode, correction=0 的相关解释。在arch/arm/kernel/entry-armv.S有宏定义

.macro	vector_stub, name, mode, correction=0
.align	5

vector_\name:
.if \correction
sub	lr, lr, #\correction
.endif

@
@ Save r0, lr_ (parent PC) and spsr_
@ (parent CPSR)
@
stmia	sp, {r0, lr}		@ save r0, lr
mrs	lr, spsr
str	lr, [sp, #8]		@ save spsr

@
@ Prepare for SVC32 mode.  IRQs remain disabled.
@
mrs	r0, cpsr
eor	r0, r0, #(\mode ^ SVC_MODE | PSR_ISETSTATE)
msr	spsr_cxsf, r0

@
@ the branch table must immediately follow this code
@
and	lr, lr, #0x0f
THUMB(	adr	r0, 1f			)
THUMB(	ldr	lr, [r0, lr, lsl #2]	)
mov	r0, sp
ARM(	ldr	lr, [pc, lr, lsl #2]	)
movs	pc, lr			@ branch to handler in SVC mode
ENDPROC(vector_\name)

.align	2
@ handler addresses follow this label
1:
.endm

原来vector_xxxx就在arch/arm/kernel/entry-armv.S中。

（2）stubs_offset的理解
vector为异常向量基址，unsigned long vectors = CONFIG_VECTORS_BASE。
在arch/arm/kernel/entry-armv.S中，stubs_offset定义为：
.equ    stubs_offset, __vectors_start + 0x200 - __stubs_start？？？？？？？？
在中找到如下解释：
“当汇编器看到B指令后会把要跳转的标签转化为相对于当前PC的偏移量（±32M）写入指令码。从上面的代码可以看到中断向量表和stubs都发生了代码搬 移，所以如果中断向量表中仍然写成b vector_irq，那么实际执行的时候就无法跳转到搬移后的vector_irq处，因为指令码里写的是原来的偏移量，所以需要把指令码中的偏移量写 成搬移后的。

我们把搬移前的中断向量表中的irq入口地址记
irq_PC,它在中断向量表的偏移量就是irq_PC-vectors_start,
vector_irq在stubs中的偏移量是vector_irq-stubs_start，这两个偏移量在搬移前后是不变的。

搬移后 vectors_start在0xffff0000处，而stubs_start在0xffff0200处，所以搬移后的vector_irq相对于中断 向量中的中断入口地址的偏移量就是，200+vector_irq。在stubs中的偏移量再减去中断入口在向量表中的偏移量，即
200+ vector_irq-stubs_start-irq_PC+vectors_start
= (vector_irq-irq_PC) + vectors_start+200-stubs_start,
对于括号内的值实际上就是中断向量表中写的vector_irq，减去irq_PC是由汇 编器完成的，而后面的 vectors_start+200-stubs_start就应该是stubs_offset，实际上在entry-armv.S中也是这样定义的。”


汇编伪指令中equ的使用格式是：name   EQU   expr{,type}

memcpy的函数原型为：void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);从下面代码的3个memcpy()函数可以看出，vectors~vectors + 0x200存储的异常向量，B vector_，中断向量；vectors + 0x200~vectors + 0x1000存储的具体异常的处理分支，而这个分支视乎只是地址，vector_，跳转表。
arch/arm/kernel/entry-armv.S中的标号，那程序是怎么实现跳转的呢？？？？？
参考http://blog.csdn.net/xavierxiao/article/details/6088050

void __init early_trap_init(void)
{
    unsigned long vectors = CONFIG_VECTORS_BASE;
    extern char __stubs_start[], __stubs_end[];
    extern char __vectors_start[], __vectors_end[];
    extern char __kuser_helper_start[], __kuser_helper_end[];
    int kuser_sz = __kuser_helper_end - __kuser_helper_start;

    /*
     * Copy the vectors, stubs and kuser helpers (in entry-armv.S)
     * into the vector page, mapped at 0xffff0000, and ensure these
     * are visible to the instruction stream.
     */
    memcpy((void *)vectors, __vectors_start, __vectors_end - __vectors_start);
    memcpy((void *)vectors + 0x200, __stubs_start, __stubs_end - __stubs_start);
    memcpy((void *)vectors + 0x1000 - kuser_sz, __kuser_helper_start, kuser_sz);

    /*
     * Do processor specific fixups for the kuser helpers
     */
    kuser_get_tls_init(vectors);

    /*
     * Copy signal return handlers into the vector page, and
     * set sigreturn to be a pointer to these.
     */
    memcpy((void *)KERN_SIGRETURN_CODE, sigreturn_codes,
           sizeof(sigreturn_codes));
    memcpy((void *)KERN_RESTART_CODE, syscall_restart_code,
           sizeof(syscall_restart_code));

    flush_icache_range(vectors, vectors + PAGE_SIZE);
    modify_domain(DOMAIN_USER, DOMAIN_CLIENT);
}

疑问先放一下，以后再理解。刚才讲述了异常总的入口，及其相关的操作，接下来讲述中断，，，
中断的处理流程如下：
1）发生中断时，CPU执行异常向量vector_irq的代码。
2）在vector_irq里面，最终会调用中断处理的总入口函数asm_do_IRQ。
3）asm_do_IRQ根据中断号调用irq_desc数组项中的handle_irq。
4）handle_irq会使用chip成员中的函数来设置硬件，比如清楚中断，禁止中断，重新使能中断等。
5）handle_irq逐个调用用户在action链表中注册的处理函数。

1）irq_desc结构
在include/linux/irq.h中。
注释很清楚，并且可以知道desc就是descriptor的缩写，方便记忆。

struct timer_rand_state;
struct irq_2_iommu;
/**
 * struct irq_desc - interrupt descriptor
 * @irq:        interrupt number for this descriptor
 * @timer_rand_state:    pointer to timer rand state struct
 * @kstat_irqs:        irq stats per cpu
 * @irq_2_iommu:    iommu with this irq
 * @handle_irq:        highlevel irq-events handler [if NULL, __do_IRQ()]
 * @chip:        low level interrupt hardware access
 * @msi_desc:        MSI descriptor
 * @handler_data:    per-IRQ data for the irq_chip methods
 * @chip_data:        platform-specific per-chip private data for the chip
 *            methods, to allow shared chip implementations
 * @action:        the irq action chain
 * @status:        status information
 * @depth:        disable-depth, for nested irq_disable() calls
 * @wake_depth:        enable depth, for multiple set_irq_wake() callers
 * @irq_count:        stats field to detect stalled irqs
 * @last_unhandled:    aging timer for unhandled count
 * @irqs_unhandled:    stats field for spurious unhandled interrupts
 * @lock:        locking for SMP
 * @affinity:        IRQ affinity on SMP
 * @node:        node index useful for balancing
 * @pending_mask:    pending rebalanced interrupts
 * @threads_active:    number of irqaction threads currently running
 * @wait_for_threads:    wait queue for sync_irq to wait for threaded handlers
 * @dir:        /proc/irq/ procfs entry
 * @name:        flow handler name for /proc/interrupts output
 */
struct irq_desc {
    unsigned int        irq;
    struct timer_rand_state *timer_rand_state;
    unsigned int            *kstat_irqs;
#ifdef CONFIG_INTR_REMAP
    struct irq_2_iommu      *irq_2_iommu;
#endif
    irq_flow_handler_t    handle_irq;
    struct irq_chip        *chip;
    struct msi_desc        *msi_desc;
    void            *handler_data;
    void            *chip_data;
    struct irqaction    *action;    /* IRQ action list */
    unsigned int        status;        /* IRQ status */

    unsigned int        depth;        /* nested irq disables */
    unsigned int        wake_depth;    /* nested wake enables */
    unsigned int        irq_count;    /* For detecting broken IRQs */
    unsigned long        last_unhandled;    /* Aging timer for unhandled count */
    unsigned int        irqs_unhandled;
    raw_spinlock_t        lock;
#ifdef CONFIG_SMP
    cpumask_var_t        affinity;
    const struct cpumask    *affinity_hint;
    unsigned int        node;
#ifdef CONFIG_GENERIC_PENDING_IRQ
    cpumask_var_t        pending_mask;
#endif
#endif
    atomic_t        threads_active;
    wait_queue_head_t       wait_for_threads;
#ifdef CONFIG_PROC_FS
    struct proc_dir_entry    *dir;
#endif
    const char        *name;
} ____cacheline_internodealigned_in_smp;

eg.
buttons.c

#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/fs.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/delay.h>
#include <asm/irq.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/arch/regs-gpio.h>
#include <asm/hardware.h>

#define DEVICE_NAME     "buttons"   /* 加载模式后，执行”cat /proc/devices”命令看到的设备名称 */
#define BUTTON_MAJOR    232         /* 主设备号 */

struct button_irq_desc {
    int irq;
    unsigned long flags;
    char *name;
};

/* 用来指定按键所用的外部中断引脚及中断触发方式, 名字 */
static struct button_irq_desc button_irqs [] = {
    {IRQ_EINT19, IRQF_TRIGGER_FALLING, "KEY1"}, /* K1 */
    {IRQ_EINT11, IRQF_TRIGGER_FALLING, "KEY2"}, /* K2 */
    {IRQ_EINT2,  IRQF_TRIGGER_FALLING, "KEY3"}, /* K3 */
    {IRQ_EINT0,  IRQF_TRIGGER_FALLING, "KEY4"}, /* K4 */
};

/* 按键被按下的次数(准确地说，是发生中断的次数) */
static volatile int press_cnt [] = {0, 0, 0, 0};

/* 等待队列:
 * 当没有按键被按下时，如果有进程调用s3c24xx_buttons_read函数，
 * 它将休眠
 */
static DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(button_waitq);

/* 中断事件标志, 中断服务程序将它置1，s3c24xx_buttons_read将它清0 */
static volatile int ev_press = 0;


static irqreturn_t buttons_interrupt(int irq, void *dev_id)
{
    volatile int *press_cnt = (volatile int *)dev_id;

    *press_cnt = *press_cnt + 1; /* 按键计数加1 */
    ev_press = 1;                /* 表示中断发生了 */
    wake_up_interruptible(&button_waitq);   /* 唤醒休眠的进程 */

    return IRQ_RETVAL(IRQ_HANDLED);
}


/* 应用程序对设备文件/dev/buttons执行open(...)时，
 * 就会调用s3c24xx_buttons_open函数
 */
static int s3c24xx_buttons_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
    int i;
    int err;

    for (i = 0; i < sizeof(button_irqs)/sizeof(button_irqs[0]); i++) {
        // 注册中断处理函数
        err = request_irq(button_irqs[i].irq, buttons_interrupt, button_irqs[i].flags,
                          button_irqs[i].name, (void *)&press_cnt[i]);
        if (err)
            break;
    }

    if (err) {
        // 释放已经注册的中断
        i--;
        for (; i >= 0; i--)
            free_irq(button_irqs[i].irq, (void *)&press_cnt[i]);
        return -EBUSY;
    }

    return 0;
}


/* 应用程序对设备文件/dev/buttons执行close(...)时，
 * 就会调用s3c24xx_buttons_close函数
 */
static int s3c24xx_buttons_close(struct inode *inode, struct file *file)
{
    int i;

    for (i = 0; i < sizeof(button_irqs)/sizeof(button_irqs[0]); i++) {
        // 释放已经注册的中断
        free_irq(button_irqs[i].irq, (void *)&press_cnt[i]);
    }

    return 0;
}


/* 应用程序对设备文件/dev/buttons执行read(...)时，
 * 就会调用s3c24xx_buttons_read函数
 */
static int s3c24xx_buttons_read(struct file *filp, char __user *buff,
                                         size_t count, loff_t *offp)
{
    unsigned long err;

    /* 如果ev_press等于0，休眠 */
    wait_event_interruptible(button_waitq, ev_press);

    /* 执行到这里时，ev_press等于1，将它清0 */
    ev_press = 0;

    /* 将按键状态复制给用户，并清0 */
    err = copy_to_user(buff, (const void *)press_cnt, min(sizeof(press_cnt), count));
    memset((void *)press_cnt, 0, sizeof(press_cnt));

    return err ? -EFAULT : 0;
}

/* 这个结构是字符设备驱动程序的核心
 * 当应用程序操作设备文件时所调用的open、read、write等函数，
 * 最终会调用这个结构中的对应函数
 */
static struct file_operations s3c24xx_buttons_fops = {
    .owner   =   THIS_MODULE,    /* 这是一个宏，指向编译模块时自动创建的__this_module变量 */
    .open    =   s3c24xx_buttons_open,
    .release =   s3c24xx_buttons_close,
    .read    =   s3c24xx_buttons_read,
};

/*
 * 执行“insmod s3c24xx_buttons.ko”命令时就会调用这个函数
 */
static int __init s3c24xx_buttons_init(void)
{
    int ret;

    /* 注册字符设备驱动程序
     * 参数为主设备号、设备名字、file_operations结构；
     * 这样，主设备号就和具体的file_operations结构联系起来了，
     * 操作主设备为BUTTON_MAJOR的设备文件时，就会调用s3c24xx_buttons_fops中的相关成员函数
     * BUTTON_MAJOR可以设为0，表示由内核自动分配主设备号
     */
    ret = register_chrdev(BUTTON_MAJOR, DEVICE_NAME, &s3c24xx_buttons_fops);
    if (ret < 0) {
      printk(DEVICE_NAME " can't register major number\n");
      return ret;
    }

    printk(DEVICE_NAME " initialized\n");
    return 0;
}

/*
 * 执行”rmmod s3c24xx_buttons.ko”命令时就会调用这个函数
 */
static void __exit s3c24xx_buttons_exit(void)
{
    /* 卸载驱动程序 */
    unregister_chrdev(BUTTON_MAJOR, DEVICE_NAME);
}

/* 这两行指定驱动程序的初始化函数和卸载函数 */
module_init(s3c24xx_buttons_init);
module_exit(s3c24xx_buttons_exit);

/* 描述驱动程序的一些信息，不是必须的 */
MODULE_AUTHOR("");             // 驱动程序的作者
MODULE_DESCRIPTION("S3C2410/S3C2440 BUTTON Driver");   // 一些描述信息
MODULE_LICENSE("GPL");                              // 遵循的协议

buttons_test.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/ioctl.h>

int main(int argc, char **argv)
{
    int i;
    int ret;
    int fd;
    int press_cnt[4];

    fd = open("/dev/buttons", 0);  // 打开设备
    if (fd < 0) {
        printf("Can't open /dev/buttons\n");
        return -1;
    }

    // 这是个无限循环，进程有可能在read函数中休眠，当有按键被按下时，它才返回
    while (1) {
        // 读出按键被按下的次数
        ret = read(fd, press_cnt, sizeof(press_cnt));
        if (ret < 0) {
            printf("read err!\n");
            continue;
        }

        for (i = 0; i < sizeof(press_cnt)/sizeof(press_cnt[0]); i++) {
            // 如果被按下的次数不为0，打印出来
            if (press_cnt[i])
                printf("K%d has been pressed %d times!\n", i+1, press_cnt[i]);
        }
    }

    close(fd);
    return 0;
}

对比前面没有中断的LEDS驱动程序，可以更好的掌握~


参考博客：
http://www.cnblogs.com/hoys/archive/2011/04/13/2015318.html