kernel 3.10代码分析--Sysrq处理流程、键盘驱动、input子系统相关

1、基本介绍
    Sysrq魔术键提供了大量的实用功能，可用户快速获取系统运行状态信息，尤其是在系统出现异常时，收集有用信息，对于疑难问题的分析有极大的帮助。
    典型应用场景如：
    1）系统进入了挂死状态(如调度出现异常、或系统负荷过重），但仍能响应中断，此时可以通过Sysrq魔术键(c)手工触发panic，结合kdump，就能收集到vmcore信息，用于问题的后续分析定位，非常有用。
    2）当系统中某进程出现挂死(可能是D状态，或是死锁)，此时需要确认该进程具体挂在什么地方，可以使用Sysrq魔术键(t)打印出系统中所有进程的堆栈信息。
    3）当系统出现反应迟钝、交互困难时，难以通过shell或终端交互获取到有用信息，此时可以使用Sysrq魔术键(m,p)打印出系统中内存使用的详细信息和CPU运行上下文信息等。

2、使用
1）编译
    在Kernel hacking中，选中Magic SysRq key (CONFIG_MAGIC_SYSRQ) 。
2）使用方法
    通常有两种方式：a、通过/proc接口；b、通过键盘输入组合键。
    通过/proc接口的使用方法为：echo ‘command’ > /proc/sysrq-trigger
    其中command是一个字符，可以是’1 – 9’或者’a-z’或者’A-Z’，字母不区分大小写。
    常用的命令有：
    0-9 设置printk的打印级别。和/proc/sys/kernel/printk的第一个参数意思相同
    b 立即重启单板，不进行磁盘同步等操作；调用内核的函数为emergency_restart
    c 进行kexec reboot，需要KEXC支持。调用内核的函数为crash_kexec
    d 显示此有的锁，需要配置CONFIG_LOCKDEP，调用函数为debug_show_all_locks。
    e 向所有进程（init除外）发送SIGTERM信号，发送信号调用force_sig函数
    f 进入out-of-memory流程，杀死一个进程，调用out_of_memory函数
    i 向所有进程（init除外）发送SIGKILL信号
    m 显示当前内存信息，调用内核show_mem函数
    P 显示当前寄存器的值
    q 显示当前的timer，调用timer_list_show
    s 同步当前所有的文件系统，调用emergency_sync函数
    t 显示当前系统上所有的进程信息，调用函数为show_state
    u 重新mount所有文件系统，调用函数为emergency_remount
    w 显示系统中所有处于uninterruptable状态的进程，调用函数为show_state
    通过键盘组合键输入的规则是：
         串口：按住break键，然后5秒内输入command字符
         键盘：alt + sysrq +command键
    详细使用规则可以参考linux内核文档：Documentation/sysrq.txt。

3、基本原理
    Sysrq实现的基本原理为：在键盘或串口驱动中(如果是/proc接口方式，则直接定义/proc的相关写入接口即可)，对按键进行判断过滤，然后根据不同的按键进行相应的处理。普通键盘和串口的流程不尽相同，主要差别在键盘和串口驱动的具体实现上，总体流程一致。
    对于普通键盘来说 ，其底层的处理(从硬件中断到键盘驱动)过程依赖于内核中的输入(input)子系统。键盘处理的大致流程如下：
    1）键盘中断调用中断服务程序
    2）键盘中断服务程序调用输入子系统
    3）输入子系统调用键盘设备对应的键盘事件处理器
    4）键盘事件处理器完成键码的转换分类工作，根据按键类型的不同，执行不同的操作。对于输入类按键，先将按键值存放到临时缓冲区，激活临时缓冲区的工作队列，然后结束。对于控制类按键，激活对应此次控制操作的工作队列，然后结束。
    5）系统在适当的时机调度工作队列执行，完成剩下的操作
    而Sysrq魔术键的处理比较特殊，在内核主分支的代码中，在上述步骤4中的键盘事件处理器中进行相应的处理，不依赖于工作队列，相当于直接在硬件中断中处理。而在3.10内核版本的分支代码中，处理流程不太一样，其合入了相应的补丁，使sysrq的处理剥离出来，放在input子系统进行处理，而脱离了键盘事件的处理流程，其还是在中断上下文中处理的，不依赖于工作队列等。主要是通过注册input_handler实现，具体见后面的代码分析。
    另一方面，对于串口设备来说，其sysrq的处理流程根据各串口驱动的实现而稍有不同，但基本都是直接在硬件中断中直接处理的。
    所以，总的来说，sysrq魔术键基本都在中断上下文中处理，优先级很高，能在关键时刻发挥重要作用。

4、代码分析
    Sysrq功能使用结构体sysrq_key_op定义了一个键盘键码所对应的行为，

struct sysrq_key_op {
    void (*handler)(int);
    char *help_msg;
    char *action_msg;
    int enable_mask;
};

    其中：
    handler表示相应键码所对应的处理函数；
    action_msg是执行处理函数前打印的信息；
    help_msg指相应键码的帮助信息；
    enable_mask指该功能是否打开，仅限于键盘输入方式。

    另外，sysrq还定义了一个静态全局数组sysrq_key_table，共有36个元素，其中0～9用于命令字0~9，10到36用于命令字a~z。当从/proc/得到输入的命令字后，可以根据这个规则计算出他在sysrq_key_table中的index，然后判断对应handler是否为空，如果不为空的话，则调用handler函数处理。

static struct sysrq_key_op *sysrq_key_table[36] = {
    &sysrq_loglevel_op,        /* 0 */
    &sysrq_loglevel_op,        /* 1 */
    &sysrq_loglevel_op,        /* 2 */
    &sysrq_loglevel_op,        /* 3 */
    &sysrq_loglevel_op,        /* 4 */
    &sysrq_loglevel_op,        /* 5 */
    &sysrq_loglevel_op,        /* 6 */
    &sysrq_loglevel_op,        /* 7 */
    &sysrq_loglevel_op,        /* 8 */
    &sysrq_loglevel_op,        /* 9 */

    /*
     * a: Don't use for system provided sysrqs, it is handled specially on
     * sparc and will never arrive.
     */
    NULL,                /* a */
    &sysrq_reboot_op,        /* b */
    &sysrq_crash_op,        /* c & ibm_emac driver debug */
    &sysrq_showlocks_op,        /* d */
    &sysrq_term_op,            /* e */
    &sysrq_moom_op,            /* f */
    /* g: May be registered for the kernel debugger */
    NULL,                /* g */
    NULL,                /* h - reserved for help */
    &sysrq_kill_op,            /* i */
#ifdef CONFIG_BLOCK
    &sysrq_thaw_op,            /* j */
#else
    NULL,                /* j */
#endif
    &sysrq_SAK_op,            /* k */
#ifdef CONFIG_SMP
    &sysrq_showallcpus_op,        /* l */
#else
    NULL,                /* l */
#endif
    &sysrq_showmem_op,        /* m */
    &sysrq_unrt_op,            /* n */
    /* o: This will often be registered as 'Off' at init time */
    NULL,                /* o */
    &sysrq_showregs_op,        /* p */
    &sysrq_show_timers_op,        /* q */
    &sysrq_unraw_op,        /* r */
    &sysrq_sync_op,            /* s */
    &sysrq_showstate_op,        /* t */
    &sysrq_mountro_op,        /* u */
    /* v: May be registered for frame buffer console restore */
    NULL,                /* v */
    &sysrq_showstate_blocked_op,    /* w */
    /* x: May be registered on ppc/powerpc for xmon */
    /* x: May be registered on sparc64 for global PMU dump */
    NULL,                /* x */
    /* y: May be registered on sparc64 for global register dump */
    NULL,                /* y */
    &sysrq_ftrace_dump_op,        /* z */
};

    如之前所说，3.10版本内核代码中使用了input_handler来实现Sysrq魔术键的单独处理。
    相应的input_handler定义：

static struct input_handler sysrq_handler = {
    .filter        = sysrq_filter,/*相应的filter处理函数，在input子系统中调用，其中调用了Sysrq的处理函数*/
    .connect    = sysrq_connect,
    .disconnect    = sysrq_disconnect,
    .name        = "sysrq",
    .id_table    = sysrq_ids,
};

    注册input_handler，函数调用流程：sysrq_init()-->sysrq_register_handler()-->input_register_handler()

static int __init sysrq_init(void)
{
 sysrq_init_procfs();

 if (sysrq_on())
  sysrq_register_handler();

 return 0;
}

static inline void sysrq_register_handler(void)
{
 unsigned short key;
 int error;
 int i;

 for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(sysrq_reset_seq); i++) {
  key = platform_sysrq_reset_seq[i];
  if (key == KEY_RESERVED || key > KEY_MAX)
   break;

  sysrq_reset_seq[sysrq_reset_seq_len++] = key;
 }

 error = input_register_handler(&sysrq_handler);
 if (error)
  pr_err("Failed to register input handler, error %d", error);
 else
  sysrq_handler_registered = true;
}

Sysrq魔术键处理代码流程：
atkbd_interrupt()  //键盘中断ISR
    input_event() //输入子系统相关处理
        input_handle_event()
            input_pass_values()
                input_to_handler()
                    handler->filter() //sysrq预先注册好的handler(sysrq_handler)的filter接口(sysrq_filter)
                        sysrq_filter()
                            sysrq_handle_keypress()
                                __handle_sysrq()  //sysrq魔术键具体处理
最终在__handle_sysrq()函数中完成Sysrq魔术键的具体处理。

键盘其它按键的处理
键盘其它按键的处理也是通过注册相应的input_handler(kbd_handler)来实现的，相应的event接口kbd_event()也在input子系统中调用：

/*键盘按键相应的input_handler*/
static struct input_handler kbd_handler = {
    .event        = kbd_event,
    .match        = kbd_match,
    .connect    = kbd_connect,
    .disconnect    = kbd_disconnect,
    .start        = kbd_start,
    .name        = "kbd",
    .id_table    = kbd_ids,
};

kbd_handler注册：kbd_init()-->input_register_handler()

int __init kbd_init(void)
{
    int i;
    int error;

    for (i = 0; i < MAX_NR_CONSOLES; i++) {
        kbd_table[i].ledflagstate = kbd_defleds();
        kbd_table[i].default_ledflagstate = kbd_defleds();
        kbd_table[i].ledmode = LED_SHOW_FLAGS;
        kbd_table[i].lockstate = KBD_DEFLOCK;
        kbd_table[i].slockstate = 0;
        kbd_table[i].modeflags = KBD_DEFMODE;
        kbd_table[i].kbdmode = default_utf8 ? VC_UNICODE : VC_XLATE;
    }

    error = input_register_handler(&kbd_handler);
    if (error)
        return error;

    tasklet_enable(&keyboard_tasklet);
    tasklet_schedule(&keyboard_tasklet);

    return 0;
}

键盘其它按键的处理代码流程：
atkbd_interrupt()  //键盘中断ISR
    input_event() //输入子系统相关处理
        input_handle_event()
            input_pass_values()
                input_to_handler()
                    handler->events() //键盘初始化是预先注册好的handler(kbd_handler)的event接口（kbd_event)
                        kbd_event()
                            kbd_keycode() 
                                put_queue()
                                    tty_insert_flip_char()  //将键盘键值对应的编码数据写入缓冲区
                                    tty_schedule_flip()  //激活工作队列处理，处理函数为flush_to_ldisc
最终在kbd_keycode()函数进行相应的键码处理，主要完成键码的转换分类工作，根据按键类型的不同，执行不同的操作。对于输入类按键，先将按键值存放到临时缓冲区，激活临时缓冲区的工作队列，然后结束。对于控制类按键，激活对应此次控制操作 的工作队列，然后结束。

通过/proc接口触发Sysrq魔术键的主要函数流程(write_sysrq_trigger()为/proc/sysrq-trigger接口的write接口)：
write_sysrq_trigger()
    __handle_sysrq()

串口驱动(以8250串口为例)中对Sysrq魔术键的支持：
按照sysrq的设计，通过标准串口链接，按下break键后5秒内，再按住command字符，会触发command对应的sysrq流程。
相关的处理流程如下(从串口驱动的接收函数serial8250_rx_chars()开始，此函数在中断上下文中执行):
serial8250_rx_chars()
     /*
      * 判断是否按下了break键，用于判断Sysrq。当按住break键时，在uart_handle_break中判断port->sysrq是否为0，如果为0，
      * 则将port->sysrq置为5秒后的jiffies数。
      */
    uart_handle_break()
        /*
         * 对于每一个接收的字符，都会调用uart_handle_sysrq_char。如果当前jiffies数值比port->sysrq小，
         * 则说明当前字符是在按住了break后5秒内输入的，因此调用handle_sysrq处理该命令。
         */
        uart_handle_sysrq_char()