基于嵌入式Linux的中断驱动程序设计

图像・编码与软件电子科技2009年第22卷第10期收稿日期:2009201215作者简介:常赟杰(1980-),男,硕士研究生,助教。

研究方向:嵌入式系统。

刘连浩(1959-),男,博士,教授。

研究方向:信息安全与嵌入式系统。

基于嵌入式L inux 的中断驱动程序设计常赟杰1,2,刘连浩1(11中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙　410083;21湖南工学院计算机科学系,湖南衡阳　421002)摘　要　首先阐述了嵌入式L inux 操作系统下,设备驱动程序的实现原理和编写方法,然后说明了中断处理在设备驱动程序中的应用,并详细论述了中断方式下,编写设备驱动程序的具体开发流程,进一步分析了编写中断处理程序时所用到一些数据结构。

应用证明,在编写L inux 设备驱动程序的时候,采用中断方式的程序效率会更高。

关键词　AR M;L inux;设备驱动;中断中图分类号　TP316 文献标识码　A 文章编号　1007-7820(2009)10-074-03D esi gn of I n terrupt D ev i ce D r i vers Ba sed onE m bedded L i n uxChang Yunjie1,2,L iu L ianhao2(11School of Infor mati on Science and Engineer,Central South University,Changsha 410083,China;21Depart m ent of Computer Science,Hunan I nstitute of Technol ogy,Hengyang 421002,China )Abstract First,the p rincip le of i m p lementation and p r ogramm ing method of device drivers on embedded L inux operati on system is intr oduced .Then,the app lication of interrup t handling in device drivers is p resen 2ted,with a detailed discussi on of the devel opment p r ocesses of device drivers under interrup t .Finally,s omei m portant data structures used in interrup t handling p r ogramm ing are further analyzed .Practical app lication in 2dicates that higher p r ogram efficiency is achieved with the use of interrup t in the L inux device driver p rogram 2m ing .Keywords ARM;L inux;devices drivers;interrup t 随着电子技术的飞速发展,嵌入式L inux 有着广泛的适用硬件平台,高效稳定的内核代码、丰富的应用软件、良好的网络接口等特点,已经成为嵌入式系统领域中的研究热点。

在嵌入式系统中,对硬件的管理是通过内核中的驱动程序来实现的,因此在嵌入式系统开发中,大量工作是对各种设备进行驱动程序的开发。

中断管理是嵌入式操作系统的核心任务之一,设备驱动程序中使用中断可以提高应用程序的效率。

L inux 为中断处理提供了良好的接口,L inux 设备驱动程序中有很多都是通过中断方式来实现的。

1　中断方式L inux 驱动程序实现方法111　设备驱动程序概述设备驱动程序是为特定的硬件提供给用户程序的一组标准化接口,它隐藏了设备的工作细节。

L inux 系统中,硬件设备被抽象为一个设备文件,应用程序可以像操作普通文件一样来对硬件设备进行操作。

(1)设备驱动程序的注册和注销。

L inux 系统为每个设备分配了一个主设备号(Maj or )和次设备号(M inor ),主设备号标识设备对应的驱动程序,次设备号对应具体设备的实例。

通常在应用中,主设备号都是采用动态分配的方式获取,即以设备号“0”进行申请,然后由系统返回一个可用设备号作为主设备号。

(2)设备操作。

在L inux 内核中,结构struct file_op reti ons 中定常赟杰,等:基于嵌入式L inux的中断驱动程序设计图像・编码与软件义了对设备的各种操作,例如打开设备使用open (),关闭设备使用cl ose(),从设备读取数据用read(),将数据写入设备用write()。

编写驱动程序,主要是实现struct file_op reti ons中的函数。

(3)模块化设计。

L inux内核中采用了可加载的模块化设计。

驱动采用模块化编写以后,它可以在系统启动后的任何时刻把驱动程序添加到内核代码中;当不需要这个模块时,可以将模块从内核中卸载和删除。

当模块被加载时,程序从int_module()函数开始执行;卸载的时候,程序从exit_module()函数开始执行,释放掉它占用的系统资源[2]。

L inux提供两个宏,module_int和module_exit来显示的命名模块的注册和注销函数,即为Moudle_int(init_module);Moudle_exit(exit_module);112　L inux中的中断处理L inux在驱动程序中应用到中断的时候,必须先把中断处理程序注册到系统中。

当有硬件中断请求发生后,操作系统调用中断处理程序,完成对设备的操作[4]。

注册中断处理程序采用的函数是request_iqr,其原型为int request_irq(unsigned int irq, Void(3handler()(int irq,void dev_id, struct p t_ges3ges), Unsigned l ong irq_flags,const char3 devna me,void3dev_id)函数调用成功时,返回0;失败时返回负值。

其中的参数irq为要申请的硬件中断号;handle为中断处理子程序,中断产生时由系统来调用,调用参数iqr为中断类型号,dev_id为申请时告诉系统的设备;标识regs为中断发生时寄存器的内容; irq_flags决定中断处理程序的特性,例如设置sa_ interrup t就是个快中断,不设置就是慢中断; devna me指向设备名称的字符指针,记录了哪个设备使用这个中断号;dev_id为申请中断时间告诉系统的设备标识,由于中断可以被共享,不同的中断处理通过dev_id来区分。

注销中断采用的函数是free_irq,其原型为Void free_irq(unsigned int irq,void3dev_id)它的参数与request_iqr函数中参数意义完全一样。

113　中断处理函数的实现中断处理程序的功能,就是将有关中断接收的信息反馈给设备,并根据要服务中断的不同含义进行相应的读写。

由于中断处理程序是在中断时间内运行的,它不能向用户空间发送或接收数据,因为它不在任何进程的上下文中执行。

通常在中断处理程序中用到以下几个数据结构[3]:(1)等待队列。

当应用程序对设备进行读的时候,如果暂时还没有数据可读,就必须让进程睡眠来等待数据。

如果中断向进程发出了信号,指示它们等待的事件已经发生,那么就可以唤醒在设备上睡眠的那些进程。

进程的睡眠和唤醒就是通过一个叫做等待队列的数据结构来实现的。

在L inux中,等待队列由一个wait_queue_head_t类型的数据结构来管理。

interrup tible_sleep_on()函数用来让进程睡眠, wake_up_interrup tible()函数用来唤醒睡眠的进程。

(2)环形缓冲区。

在驱动程序使用循环缓冲区是处理并发访问问题的一种有效方法。

当设备的一些操作来不及处理的时候,就先存放到缓冲区中。

缓冲区共有两个指针进行寻址:head和tail。

Head指向数据的写入位置,tail指向数据的读出位置。

(3)系统时钟。

在编写中断处理程序的时候,必须要保证程序执行的时间尽可能短。

系统执行时间由系统时钟来控制。

系统时钟是通过ti m e_list结构可以实现的[5]。

使用时钟时,首先调用init_ti m e_list进行初始化。

ti m e_list结构中参数exp ires表示时钟的周期,其单位采用L inux全局变量jiffies。

系统内核还提供了Hz来定义每秒种最小时间间隔的数目。

系统计时到一定时间就调用functi on函数,并把此子程序从定时队列里删除,如果想要每隔一定时间都执行一次的话,就必须在functi on函数里再一次调用addt_i m er函数。

2　中断方式驱动程序设计211　按键控制原理硬件采用s3c2410处理器I/O口的GPF3, GPF4,GPF5,GPF6这4个端口对应4个按键。

当按键按下时,分别产生eint3,eint4,eint5,eint64个外部低电平的中断请求。

s3c2410根据中断来判图像・编码与软件常赟杰,等:基于嵌入式L inux的中断驱动程序设计断按键被按下。

212　按键驱动程序的实现(1)首先设计一个按键的设备结构体。

该结构体中包含一个缓冲区,当多次按键无法被及时处理的时候,使用该缓冲区缓存按键。

此外,还包含按键状态标志和一个等待队列。

为了实现软件延时,定时器也是必要的,但不包含在设备结构体中;(2)接着定义一个按键结构体,来保存4个按键的所对应的中断号,GP I O引脚及键值;(3)按键驱动的模块加载和卸载函数;(4)按键设备中断处理函数。

在键被按下后,将发生中断,在中断处理程序中,延时20m s,去除抖动;(5)按键设备的打开、释放函数。

按键设备驱动的打开和释放函数比较简单,主要是设置keydev1head、keydev1tail和按键事件函数指针keyEvent的值;(6)按键设备的读取函数。

按键设备驱动的读函数是驱动程序和用户的接口,在读取/dev/key2 board/ra w文件的时候被读取。

当keydev1head!= keydev1tail时,表示缓冲区有数据,它从缓冲区的尾部读取一个按键事件,直接返回给用户。

当缓冲区为空时,根据用户空间是阻塞读还是非阻塞读,分为如下两种情况来处理:1)若采用非阻塞读,则因为没有按键缓存,直接返回-Eagain;2)若采用阻塞读,则在keydev1wq等待队列上睡眠,直到有按键被记录入缓冲区后再被唤醒。