中断管理常用API（四）

一、request_irq(...)

request_irq 函数主要用于硬中断相关操作，它的核心作用是把一个中断处理函数和特定的中断号进行绑定。当硬件设备触发该中断号对应的中断时，内核就会调用绑定的中断处理函数，像 irqhandler_func 这类。

此函数在多种硬件设备驱动中都会被使用，不只是系统时钟（GP Timer）驱动。在驱动开发里，只要涉及到硬件中断处理，一般都会借助 request_irq 来注册中断处理函数。

其主要功能包含以下方面：

注册中断处理函数：把指定的中断处理函数与特定中断号关联起来，让内核在对应中断发生时能调用该处理函数。
中断资源管理：对中断资源进行管理，像检查中断号是否可用、将新申请的中断信息添加到内核的中断管理数据结构（例如 IRQ 链表）中。
中断标志处理：依据传入的中断标志参数（如 IRQF_DISABLED、IRQF_SHARED 等）对中断的行为进行配置。

如果 request_irq 函数申请中断成功，会返回 0；若申请失败，则返回一个负的错误码，以此来表明具体的错误原因。

具体内核源码设计如下：

参数irq对于中断号：

取值是从 0--16640，系统已经使用的是 0-31，其中 IRQ9/10/15 系统保留；
用户用于自定义中断：32--16640。

如request_irq(IRQ_LCDC_INT, lcdc_isr, IRQF_DISABLED, "LCDC", &lcdc);
什么时候才执行lcdc_isr, 呢？

在 request_irq(IRQ_LCDC_INT, lcdc_isr, IRQF_DISABLED, "LCDC", &lcdc); 中，当中断号为 IRQ_LCDC_INT 的中断事件发生时，就会执行 lcdc_isr 中断处理函数。具体来说，当与之相关的硬件设备（这里是 LCDC 设备）产生中断信号，且该中断信号被 CPU 检测和响应后，系统就会调用已注册的 lcdc_isr 函数来处理这个中断事件。

IRQF_DISABLED ：表示中断处理程序是快速处理程序。当该标志位被设置，在调用此中断处理函数时，会屏蔽掉所有其他中断。这样做是为了确保当前中断处理能不受干扰地快速执行，适用于那些需要立即响应且处理过程不能被打断的紧急中断场景。比如一些关键硬件的状态变化中断，必须尽快处理且不能被其他中断干扰。
IRQF_SAMPLE_RANDOM ：该中断可用于为系统提供随机数相关的熵源。系统在生成随机数时，会利用这类中断提供的信息，增加随机数的随机性和不确定性。
IRQF_SHARED ：意味着多个设备可以共享同一个中断号。当设置此标志，多个设备可以共用一条中断线。在中断发生时，内核会循环调用该中断线上注册的所有中断处理函数，由每个函数自行判断是否是自己对应的设备产生的中断。比如 PCI 总线上多个设备可能共享一个中断号。
IRQF_PROBE_SHARED ：用于探测共享中断的情况。当调用者预期可能会出现共享中断的不匹配等情况时设置此标志，帮助系统更好地处理共享中断相关的探测和管理。
IRQF_TIMER ：专用于时钟中断相关场景。时钟中断是系统中很重要的一种中断，用于维护系统时间、调度任务等，此标志明确该中断是用于时钟相关功能。
IRQF_PERCPU ：表示该中断会在每个 CPU 周期执行。适用于一些需要在每个 CPU 上都单独进行处理的中断情况，比如某些与 CPU 本地状态或资源相关的中断处理。
IRQF_NOBALANCING ：该标志表示此中断不参与中断负载均衡。在多 CPU 系统中，内核通常会尝试将中断负载均衡到各个 CPU 上，但设置此标志的中断不会参与这种均衡操作。
IRQF_IRQPOLL ：在共享中断的场景下，用于根据注册时间等因素来判断中断处理顺序等相关操作，辅助管理共享中断的处理逻辑。
IRQF_ONESHOT ：单次触发中断，即中断处理函数执行一次后，该中断就不再触发，除非再次进行相关设置或硬件重新产生触发条件。
IRQF_TRIGGER_NONE ：表示无触发条件的中断，一般较少使用，更多是作为标志位组合等用途。
IRQF_TRIGGER_RISING ：指定中断触发类型为上升沿有效，即当硬件信号从低电平变为高电平时，触发中断。
IRQF_TRIGGER_FALLING ：指定中断触发类型为下降沿有效，即当硬件信号从高电平变为低电平时，触发中断。
IRQF_TRIGGER_HIGH ：指定中断触发类型为高电平有效，只要硬件信号处于高电平状态，就会触发中断。
IRQF_TRIGGER_LOW ：指定中断触发类型为低电平有效，只要硬件信号处于低电平状态，就会触发中断。
IRQF_TRIGGER_MASK ：是上升沿、下降沿、高电平、低电平触发标志位的组合掩码，用于方便地对这几种触发类型标志位进行批量操作或判断。
IRQF_TRIGGER_PROBE ：用于触发式检测中断相关操作，帮助系统探测和管理中断触发条件等情况。

【代码案例】

requestirq.c

#include <linux/irq.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/interrupt.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/slab.h>

// 定义一个结构体来包含额外的参数
struct my_irq_data {
    int extra_param1;
    char *extra_param2;
};

static int irq = 10; // 中断号
#define IRQF_DISABLED 0x00000020 // 中断禁止

// 定义中断处理函数
static irqreturn_t irqhandler_func(int irq, void *dev_id) {
    struct my_irq_data *data = (struct my_irq_data *)dev_id;

    printk(KERN_INFO "调用自定义中断函数：irqhandler_func(...)函数.\n");
    printk(KERN_INFO "打印输出对应的中断号为：%d\n", irq);
    printk(KERN_INFO "额外参数1的值为：%d\n", data->extra_param1);
    printk(KERN_INFO "额外参数2的值为：%s\n", data->extra_param2);
    printk(KERN_INFO "退出自定义中断函数：irqhandler_func(...)函数.\n");

    return IRQ_NONE;
}

static struct my_irq_data *my_data;

static int __init setupirq_initfunc(void) {
    int rst = 0;

    printk(KERN_INFO "调用内核初始化模块函数：setupirq_initfunc(...)函数.\n");

    // 分配内存给结构体
    my_data = kmalloc(sizeof(struct my_irq_data), GFP_KERNEL);
    if (!my_data) {
        printk(KERN_ERR "内存分配失败\n");
        return -ENOMEM;
    }

    // 初始化额外的参数
    my_data->extra_param1 = 42;
    my_data->extra_param2 = "Hello, World!";

    // 调用 request_irq 申请中断
    rst = request_irq(irq, irqhandler_func, IRQF_DISABLED, "Test_New_Device", my_data);
    if (rst < 0) {
        printk(KERN_ERR "申请中断失败，错误码：%d\n", rst);
        kfree(my_data);
        return rst;
    }
    printk(KERN_INFO "打印输出中断申请结果：成功\n");

    printk(KERN_INFO "退出内核初始化模块函数：setupirq_initfunc(...)函数.\n");

    return 0;
}

static void __exit setupirq_exitfunc(void) {
    printk(KERN_INFO "正常退出内核：开始释放中断资源.\n");
    // 调用 free_irq 释放中断
    free_irq(irq, my_data);

    // 释放分配的内存
    kfree(my_data);

    printk(KERN_INFO "调用 free_irq 删除申请的中断成功，内存释放完成.\n");
}

MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(setupirq_initfunc);
module_exit(setupirq_exitfunc);

Makefile

#!/bin/bash

ccflags_y += -O2

ifneq ($(KERNELRELEASE),)
obj-m := requestirq.o
else
KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)

default:
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules 
endif

clean:
	rm -rf *.o *.ko *.mod.c

depend .depend dep:
	$(CC)  -M *.c > .depend

编译插入卸载

二、request_threaded_irq(...)

该函数主要功能是根据传递的参数进行正确定检查，然后动态创建一个irqaction描述符且初始化，最后调用相关API将此描述符加入到IRQ链表中，完成中断动态申请以及注册。具体Linux内核源码设计如下：

参数 irq：中断号
参数 handler：中断处理函数
参数 thread_fn：中断线程处理函数
参数 irqflags：中断标识符
参数 devname：中断对应的设备名称
参数 dev_id：设备描述符指针
此函数返回值：返回类型为 irq_handler_t，返回值为 0 证明申请成功，申请失败返回值非零

request_irq 和 request_threaded_irq 都是 Linux 内核中用于申请中断的函数，二者主要区别如下：

1. 函数参数

request_irq：原型为 int request_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, unsigned long flags, const char *name, void *dev) 。参数包括中断号 irq 、中断处理函数 handler 、中断标志 flags 、中断名字 name 、设备区分参数 dev 。
request_threaded_irq：原型为 int request_threaded_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler, irq_handler_t thread_fn, unsigned long flags, const char *name, void *dev) 。相比 request_irq ，多了一个 thread_fn 参数，该参数是在线程中运行的函数。

2. 中断处理方式

request_irq：中断处理函数 handler 在中断上下文执行，该上下文不可抢占。若中断处理函数执行时间长，会阻塞其他中断和任务，影响系统实时性。
request_threaded_irq：将中断处理分为两部分。 handler 作为快速的硬件中断处理程序，在中断发生时快速响应，执行确认中断源、禁用中断源等必要硬件操作； thread_fn 作为线程中断处理程序，在独立的线程上下文运行，可被抢占，适合执行耗时操作。比如网络数据包处理场景，可把耗时逻辑放 thread_fn 中，减少中断上下文执行时间。

3. 执行效率与适用场景

request_irq：适用于中断处理简单、耗时短的场景。如果处理过程不复杂，能快速执行完，用 request_irq 可简单高效处理中断。
request_threaded_irq：适用于中断处理有耗时操作的场景。在实时或嵌入式系统中，对实时性要求高，通过线程化中断处理，可提高系统实时性能和响应性。多 CPU 系统中，多个中断的内核线程可分配到不同 CPU 执行，提高整体处理效率。

4. 本质关系

request_irq 本质上是 request_threaded_irq 的封装，相当于调用 request_threaded_irq 时将 thread_fn 参数置为 NULL 。

【代码案例】

requestthreadedirq.c

#include <linux/irq.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/interrupt.h>

static int irq = 11; // 中断号
#define IRQF_DISABLED 0x00000020 /*中断禁止*/

// 自定义中断处理函数
static irqreturn_t irqhandler_func(int irq,void *dev_id){
    printk("打印输出中断处理函数data所对应的中断号为：%d\n",irq);

    return IRQ_WAKE_THREAD; // 触发中断线程函数执行
}

// 自定义中断线程处理函数
static irqreturn_t irqthread_func(int irq,void *dev_id){
    printk("打印输出中断线程处理函数data所对应的中断号为：%d\n",irq);

    return IRQ_HANDLED;
}

static int __init requestthreadedirq_initfunc(void){
    int rst=0;

    printk("调用内核模块函数：requestthreadedirq_initfunc(...).\n");

    rst = request_threaded_irq(irq,irqhandler_func,irqthread_func,IRQF_DISABLED,"Test_New_Device",NULL);
    printk("打印输出调用request_threaded_irq(...)函数返回的rst值为：%d\n",rst);

    disable_irq(irq);
    enable_irq(irq); 

    printk("退出内核模块函数：requestthreadedirq_initfunc(...).\n");

    return 0;
}

static void requestthreadedirq_voidfunc(void){
    free_irq(irq,NULL); // 释放申请的中断处理
    printk("内核正常退出：request_threaded_irq(...)函数.\n");
}


MODULE_LICENSE("GPL");

module_init(requestthreadedirq_initfunc);
module_exit(requestthreadedirq_voidfunc);

Makefile

#!/bin/bash

ccflags_y += -O2

ifneq ($(KERNELRELEASE),)
obj-m := requestthreadedirq.o
else
KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)

default:
	$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules 
endif

clean:
	rm -rf *.o *.ko *.mod.c

depend .depend dep:
	$(CC)  -M *.c > .depend

编译插入卸载