uClinux下中斷驅(qū)動(dòng)的I／O方式

　　在32位微處理器逐漸成為嵌入式系統(tǒng)主流的同時(shí)，嵌入式應(yīng)用也變得越來(lái)越復(fù)雜。許多嵌入式系統(tǒng)都不得不借助于專用的操作系統(tǒng)來(lái)支撐自己的應(yīng)用。uClinux作為類Unix操作系統(tǒng)，繼承了Linux的各種優(yōu)秀的品質(zhì)，成為首選的嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。

　　為自己的設(shè)備在操作系統(tǒng)下添加驅(qū)動(dòng)程序，是嵌入式設(shè)計(jì)必不可少的部分。針對(duì)不同的設(shè)備類型，選擇合適的驅(qū)動(dòng)程序的模式，同樣也是十分重要的。通常的設(shè)備驅(qū)動(dòng)采用直接I／O的方式，如存儲(chǔ)器、看門(mén)狗等；而對(duì)于象網(wǎng)絡(luò)這樣的數(shù)據(jù)流設(shè)備的驅(qū)動(dòng)，則應(yīng)該用到中斷機(jī)制。

　　本文以uClinux為背景，以一種數(shù)據(jù)流設(shè)備為目標(biāo)，介紹中斷驅(qū)動(dòng)的I／O設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)。

　　1 應(yīng)用背景

　　1.1 硬件描述

　　本文介紹的驅(qū)動(dòng)程序是應(yīng)用在一種電信E1線路和以太網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備上的。它是旁路接收E1數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到以太網(wǎng)的某一臺(tái)服務(wù)器上，在服務(wù)器上對(duì)E1的話路和信令時(shí)隙分析。

　　該設(shè)備中的處理器是采用三星公司出品的網(wǎng)絡(luò)型ARM 處理器S3C4510B。E1線路接口采用Dallas半導(dǎo)體公司的專用El接口單元(LIU)芯片DS2148，它完成波形整理、時(shí)鐘恢復(fù)和HDB3解碼。DS2148將整理后的E1數(shù)據(jù)流送給一片Altera公司的Cyclone系列的FPGA(EPlC3T144C8)，它將串行的E1數(shù)據(jù)流存入到 FIFO，再通過(guò)ARM的32位外部總線將數(shù)據(jù)傳送給ARM。ARM將數(shù)據(jù)打包通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送到服務(wù)器上。圖l所示是本系統(tǒng)的硬件框圖。本文主要介紹接在 ARM的外部總線上的FPGA，在uClinux下的驅(qū)動(dòng)程序中斷機(jī)制的設(shè)計(jì)。

　　1．2硬件連接

　　S3C4510B處理器和FPGA的連接電路如圖2所示。

　　1.3 FPGA內(nèi)FIFO的結(jié)構(gòu)

　　在FPGA內(nèi)部設(shè)置了兩個(gè)FIFO。為了防止ARM和FPGA操作的沖突，ARM和FPGA對(duì)兩個(gè)FIFO操作采用乒乓方式，這

　　2 軟件設(shè)計(jì)

　　中斷驅(qū)動(dòng)的I／O是指，輸人數(shù)據(jù)在中斷期間被填充到緩沖區(qū)內(nèi)，并由讀取該設(shè)備的進(jìn)程取走緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)；輸出緩沖區(qū)由寫(xiě)設(shè)備的進(jìn)程填充，并在中斷期間取走數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)緩沖可以將數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收與write及read系統(tǒng)調(diào)用分離開(kāi)來(lái)，提高系統(tǒng)的整體性能。下面是uCllnux下的中斷程序的設(shè)計(jì)。

　　2.1 uClinux下的中斷程序

　　在uClinux系統(tǒng)中，通過(guò)調(diào)用下面這個(gè)函數(shù)向系統(tǒng)申請(qǐng)一個(gè)中斷通道(或中斷請(qǐng)求IRQ)，并在處理完以后釋放掉它。

　　mt reqLIest_irq(unsigned int irq，void(*handler)(int，vold*，
       struct pt_regs*)，unsigned 10ng flags，const chat*device，
       vold*dev_id)；
       void free_irq(unstgned int lrq，VOid*dev_id)；

　　其中，irq是中斷號(hào)。在本系統(tǒng)中它對(duì)應(yīng)于S3C4510B的21個(gè)中斷源。這里用的是中斷源O。handler指向要安裝的中斷處理函數(shù)的指針。 flags是一個(gè)與中斷管理有關(guān)的各種選項(xiàng)的字節(jié)掩碼。device傳遞給request_irq的字符串，在／proc／interrupts中用于顯示中斷的擁有者。dev_id指針用于共享的中斷信號(hào)線。函數(shù)的返回值為O時(shí)表示成功，或者返回一個(gè)負(fù)的錯(cuò)誤碼。函數(shù)返回一EBUJSY通知另一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序已經(jīng)使用了要申請(qǐng)的中斷信號(hào)線。下面是FPGA的設(shè)備中斷申請(qǐng)函數(shù)。這個(gè)函數(shù)是在驅(qū)動(dòng)中的fpga_open函數(shù)中被調(diào)用的。

　　int fpga_open(struct inode*inocle，stuct_file*file){
        int result;
       result="request"_irq(FPGA_IRQ，δfpga_isr，SA_INTER-RUPT,″fpga″,NULL)；
       if(resuIt!=O){
        printk(KERN_INFO”Can not register FPGA ISR!＼n”)；}else{
       printk(KERN_INFO″FPGA ISR Register successfully!＼n”)；
       }
}

在申請(qǐng)了中斷通道后，系統(tǒng)會(huì)響應(yīng)外部中斷0，而進(jìn)入中斷處理程序。中斷處理程序的第一步是要先清除S3C4510B的中斷懸掛寄存器的外部中斷O位。這是為了讓FPGA可以產(chǎn)生新的中斷。在uClinux系統(tǒng)中是調(diào)用下面的宏來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

　　#deflne CLEAR_PEND_INT(n) IntPend=(1<<(n))

　　中斷處理程序功能就是將有關(guān)中斷接收的信息反饋給設(shè)備，并根據(jù)要服務(wù)的中斷的不同含義相應(yīng)地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)。所以FPGA的中斷處理的主要任務(wù)是，讀取 FPGA中FIFO狀態(tài)寄存器的值，獲取需要讀取的FIFO的信息并安排接收數(shù)據(jù)。在程序中用到了系統(tǒng)提供的inl函數(shù)。

　　unmgned mt status
        status="inl"(FPGA_IMF)；

　　中斷處理程序的執(zhí)行應(yīng)盡可能的短，而從FPGA中接收數(shù)據(jù)，一次必須讀完一個(gè)FIFO及128字。這是一個(gè)需要較長(zhǎng)時(shí)間的外部I／O操作，所以把這個(gè)操作放到中斷處理的底半部(bottom-haIf)來(lái)完成。下面介紹中斷處理的底半部的設(shè)計(jì)。 {{分頁(yè)}}

　　2.2 BH機(jī)制

　　底半部處理程序和上半部最大的不同就在于，在執(zhí)行BH時(shí)所有的中斷都是打開(kāi)的，所以說(shuō)它是在“更安全”時(shí)間內(nèi)

　　BH機(jī)制實(shí)際上是一個(gè)任務(wù)隊(duì)列，中斷處理程序?qū)⒁幚淼娜蝿?wù)插到特定的任務(wù)隊(duì)列中等待內(nèi)核執(zhí)行。內(nèi)核維護(hù)著多個(gè)任務(wù)隊(duì)列，但驅(qū)動(dòng)程序只能用前三種：

　?、賢q_scheduler隊(duì)列。當(dāng)調(diào)度器被運(yùn)行時(shí)，該隊(duì)列就會(huì)被處理。因?yàn)榇藭r(shí)調(diào)度器在被調(diào)度出的進(jìn)程的上下文中運(yùn)行，所以該隊(duì)列中的任務(wù)幾乎可以做任何事。它們不會(huì)在中斷時(shí)運(yùn)行。

　?、趖q_timer隊(duì)列。該隊(duì)列由定時(shí)器隊(duì)列處理程序(timertick)運(yùn)行，因?yàn)樵撎幚沓绦蚴窃谥袛鄷r(shí)問(wèn)運(yùn)行的。該隊(duì)列中的所有任務(wù)就也是在中斷時(shí)間內(nèi)運(yùn)行的。

　?、踭u_lmmediate隊(duì)列。立即隊(duì)列在系統(tǒng)調(diào)用返回時(shí)或調(diào)度器運(yùn)行時(shí)盡快得到處理的(不管兩種情況誰(shuí)先發(fā)生了)。該隊(duì)列是在中斷時(shí)間內(nèi)得到處理的。

　　隊(duì)列元素由下面的結(jié)構(gòu)來(lái)描述：

　　structtq_struct?
       structq_struct*mext?????? ／*激活的BH的鏈接表*／
        unsigned 1ong sync；????? ／*必須初始化為零*／
       void(*outine)(vold*)；??? ／*調(diào)用的函數(shù)*／
        void*data;??????????????? ／*傳遞給函數(shù)的參數(shù)*／
}；

　　上面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中最重要的字段是rotltine和data。將要延遲的任務(wù)插入隊(duì)列，必須先設(shè)置好結(jié)構(gòu)的這些字段，并把next和sync兩個(gè)字段清零。結(jié)構(gòu)中的sync標(biāo)志位用于避免同一任務(wù)被插人多次，這會(huì)破壞next指針。一旦任務(wù)被排人隊(duì)列，該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就被認(rèn)為是內(nèi)核“擁有”了，不能再被修改。

　　在FPGA的驅(qū)動(dòng)中，定義了一個(gè)任務(wù)隊(duì)列元素用于完成底半部分：
        struct tq_struct el_task；
        unsigned int el_line；
       el_line數(shù)組用來(lái)保存?zhèn)鬟f給任務(wù)的參數(shù)。在打開(kāi)FPGA時(shí)要對(duì)任務(wù)隊(duì)列結(jié)構(gòu)賦值：
        el_task．routine=fpga_bh；
        e1 task．data=＆e1_line：

　　上面的fpga_bh是底半部分處理函數(shù)void fpga_bh(unsigned int*line)的函數(shù)名，el_line是傳遞給fpga_bh函數(shù)的實(shí)參。

　　與任務(wù)隊(duì)列有關(guān)的還有下面的函數(shù)：

　　void queue_task(struct tq_struet*task，task_queue*List)；

　　正如該函數(shù)的名字，本函數(shù)用于將任務(wù)排進(jìn)隊(duì)列中。它關(guān)閉了中斷，避免了競(jìng)爭(zhēng)，因此可以被模塊中任一函數(shù)調(diào)用。FPGA的任務(wù)被插入到tq_immediate隊(duì)列中，所以，list被賦值為＆tq_immediate。

　　當(dāng)某段代碼需要調(diào)度運(yùn)行下半部處理時(shí)，只要調(diào)用mark_bh即可：

　　void mark_bh(intnr)；

　　這里，nr是激活的BH的類型。這個(gè)數(shù)是在頭文件中定義的一個(gè)符號(hào)常數(shù)。每個(gè)下半部BH相應(yīng)的處理函數(shù)由擁有它的那個(gè)驅(qū)動(dòng)程序提供。

　　完成任務(wù)隊(duì)列元素設(shè)置后，中斷處理函數(shù)中就可以啟用BH機(jī)制。在讀得fpga_imf的值后將其賦給el_line，然后調(diào)用queue_task將任務(wù)插入到tq_immediate隊(duì)列中，再調(diào)用mark_bh(IMMEDIATE_BH)，啟動(dòng)底半部分處理。到此，中斷處理程序就可以退出了。

2.3底半部分處理程序和緩沖區(qū)

　　uClinux操作系統(tǒng)退出中斷處理程序后，會(huì)立即將tq_immediate隊(duì)列中任務(wù)投入運(yùn)行，其中也有fpga_bh函數(shù)。在進(jìn)入fpga_bh同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將el_line的地址作為實(shí)參傳遞給形參line。也就是將FIFO狀態(tài)寄存器(fpga_imf)的值間接傳給了底半部處理程序。底半部分程序中會(huì)檢查這個(gè)值的每一位，據(jù)此決定需要讀的FIFO。

　　從FIFO中讀上來(lái)的數(shù)據(jù)都是存放在內(nèi)核的緩沖區(qū)中的。因?yàn)槊恳粋€(gè)FIFO的容量是一個(gè)E1的復(fù)幀，所以內(nèi)核的緩沖也是以E1復(fù)幀的大小為一個(gè)緩沖塊。緩沖塊用鏈表串連起來(lái)。緩沖單元的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

　　struct buf_struct{
       struct list_head list；?? ／*鏈表頭*／
       unsigned int buf_size；?? ／*數(shù)據(jù)塊的大小*／
       unsigned int*buLhead；??? ／*緩沖塊的指針*／
       unsigned int*buL_curl???? ／*緩沖塊當(dāng)前指針*／
}；

　　buf_size說(shuō)明了數(shù)據(jù)塊的大小。這是一個(gè)以“字”為單位的數(shù)值。緩沖塊在內(nèi)核堆區(qū)開(kāi)辟，buf_head指向?qū)嶋H的緩沖塊的首地址，而buf_cur指向緩沖塊中正在操作的單元。為了使用鏈表機(jī)制，驅(qū)動(dòng)必須包含頭文件。其中定義了list_head類型結(jié)構(gòu)：

　　struct list_head{

　　struct list_head*next．*prev;

　　為了訪問(wèn)緩沖塊鏈表,還要建立一個(gè)鏈表頭,在驅(qū)動(dòng) 中定義全局變量：?

　　struct list_head read_list;

　　鏈表頭必須是一個(gè)獨(dú)立的list_head結(jié)構(gòu)。在使用之前，必須用INIT_LIST_HEAD宏來(lái)初始化鏈表頭：

　　INIT_LIST_HEAD(&readlist)； I
        Linux系統(tǒng)提供了鏈表的操作函數(shù)，在頭文件中：?
       list_add(struet list_head*new，struct list_head*head)；???? ／*在鏈表頭后插入一個(gè)新項(xiàng)*／?
       list_add_tail(stuot list_head*new，struet list_head*head)； ／*在鏈表尾部添加一個(gè)新項(xiàng)*／?  nbsp;  list_del(struet_list_head*entry)；?????????????????????????? ／*將給定項(xiàng)從鏈表中刪除*／?
       list_empty(struct list_head*head)??????????????????????????? ／*判斷鏈表是否為空*／?
       list_entry(struct list_head。ptr，type_of_struet，field_ name)； ／*訪問(wèn)包含鏈表頭的結(jié)構(gòu)*／?

　　其中l(wèi)ist_entry的作用是一個(gè)1ist_head結(jié)構(gòu)指針映射回一個(gè)指向包含它的大結(jié)構(gòu)的指針。ptr是指向structlist_head結(jié)構(gòu)的指針，type_of_struct是包含ptr的結(jié)構(gòu)類型，field_name是結(jié)構(gòu)中鏈表字段的名字。如可以用這個(gè)宏將指向數(shù)據(jù)緩沖塊的鏈表指針 (readl)映射為緩沖塊結(jié)構(gòu)指針(buf)：?

　　struetbuf_strcut*buf=list_entry(real,struct buf_struct,list)；?

　　底半部分處理程序中，內(nèi)核緩沖塊是動(dòng)態(tài)分配的。因?yàn)轵?qū)動(dòng)程序是內(nèi)核的一部分，所以在內(nèi)核堆區(qū)開(kāi)辟緩沖區(qū)就要用專用的函數(shù)，在頭文件定義了如下函數(shù)：

　　void*kmalloc(size t size，int flags);／*在內(nèi)核堆中分配size大小的空問(wèn)*／
       void kfree(void*obi/*釋放kmalloc分配的空間*／

　　kmalloc函數(shù)的第1個(gè)參數(shù)是size(大小)，第2個(gè)參數(shù)是優(yōu)先權(quán)。最常用的優(yōu)先權(quán)是GFP_KERNEL，它的意思是該內(nèi)存

　　不要過(guò)于頻繁地用kmalloc在內(nèi)核堆中分配空間，因?yàn)樵诜峙淇臻g時(shí)可能有中斷到來(lái)，這樣是不安全的。在驅(qū)動(dòng)中建立另一個(gè)鏈表用于回收使用過(guò)的緩沖塊。在驅(qū)動(dòng)中用free_1ist作為回收緩沖塊的鏈表頭：

　　struct list_head free_list；

　　這樣就存在兩個(gè)鏈表：一個(gè)是裝載著數(shù)據(jù)的鏈表，一個(gè)是已經(jīng)使用過(guò)的緩沖塊的鏈表(稱為自由鏈表)。那么只要自由鏈表中還有表項(xiàng)，在需要緩沖塊時(shí)就可以直接從自由鏈表中取出一個(gè)使用，而不用kmalloc再去分配。

　　2.4 阻塞型I／O和自旋鎖的使用

　　在驅(qū)動(dòng)程序中，read的工作是將內(nèi)核緩沖區(qū)中拷貝到用戶空間。在進(jìn)行這種操作時(shí)有兩種情況是應(yīng)該注意的：

　?、佼?dāng)read時(shí)發(fā)現(xiàn)讀鏈表是空，也就是還沒(méi)有數(shù)據(jù)可讀。

　　這種情況下，可以讓read立即返回一EAGAIN，告知用戶進(jìn)程沒(méi)有讀到數(shù)據(jù)；另一個(gè)辦法就是實(shí)現(xiàn)阻塞型I／O，在沒(méi)有數(shù)據(jù)可讀時(shí)讓用戶進(jìn)程進(jìn)入睡眠狀態(tài)并等待數(shù)據(jù)。 {{分頁(yè)}}

有幾種處理和喚醒的方法，都要處理同一個(gè)基本的數(shù)據(jù)類型——等待隊(duì)列(walt_queue_head_t)，就是由正在等待某事件發(fā)生的進(jìn)程組成的一個(gè)隊(duì)列。使用之前必須聲明和初始化，在驅(qū)動(dòng)程序中是如下聲明的：

　　wait_queue_head_t read_Jqueue;

　　init_waitqueue_head(＆read_queue)；

　　可以調(diào)用如下函數(shù)之一讓進(jìn)程進(jìn)入睡眠狀態(tài)：

　　void wait_evet(wait_queue_head_ queue，int condition);

　　int wait_evem_interruptible(Walt_queue_hean_t queue，int condition)；

　　這兩個(gè)函數(shù)把等待事件和測(cè)試事件是否發(fā)生合并起來(lái)。調(diào)用之后，進(jìn)程會(huì)一直睡眠到C布爾表達(dá)式condition為真時(shí)為止。在驅(qū)動(dòng)中的read函數(shù)中，判斷讀鏈表為空，就調(diào)用它進(jìn)入睡眠：

　　while(1ist_efnpty(＆read_list)){
        If(filp一>f_flags δO_NoNBLOCK)／*如果設(shè)置成非阻塞I／o*／
       return—EAGAIN; 
    ;    if(wait_evert_interruptible(read_queue，!list_empty(δread_list))) return—ERESTARTSYS；

　　}

　　對(duì)應(yīng)上面的函數(shù)，要喚醒進(jìn)程可以調(diào)用下面的函數(shù)：

　　wake_up(wait_queue_gead_t*queue)；

　　wake_up_jnterruptlbk(wait_queue_head_t*queue)；

　　驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)該在數(shù)據(jù)到來(lái)后及時(shí)喚醒進(jìn)程，也就是從FIFO讀取數(shù)據(jù)后，在退出底半部處理程序前執(zhí)行：

　　wake_up_mterIuptible(＆read_queue);

　　要指出的是被喚醒并不保證等待的事件發(fā)生了，所以從睡眠態(tài)返回后，應(yīng)該循環(huán)測(cè)試condition。

　?、诋?dāng)read操作正在訪問(wèn)某一個(gè)鏈表時(shí)，底半程序也要訪問(wèn)同一個(gè)鏈表。這樣是比較危險(xiǎn)的，應(yīng)該避免。

　　為了避免這種情況的發(fā)生，這里使用自旋鎖。在read操作訪問(wèn)鏈表前獲得鎖，訪問(wèn)結(jié)束時(shí)解鎖。底半部要訪問(wèn)鏈表時(shí)先要檢查自旋鎖是否已上鎖，如果有，則等

　　自旋鎖使用類型spinlock_t來(lái)描述。自旋鎖被聲明和初始化為不加鎖狀態(tài)方式如下：

　　spinlock_t1ist_10ck=SPIN_LoCK_UNLOCKED；

　　處理自旋鎖的函數(shù)如下：

　　spill_1ock_bh(Spllalock-t*1ock)；

　　spin_unloek_bh(splnlock_t*lock)；

　　這里使用獲得自旋鎖并且阻止底半部執(zhí)行的函數(shù)，就可以完全保證底半部程序不會(huì)在read操作訪問(wèn)鏈表時(shí)來(lái)訪問(wèn)鏈表。程序中如下實(shí)現(xiàn)：

　　spln_lock_bh(＆list_lock)；
        list_del(readl)； ／*將使用后的緩沖塊從讀鏈表中刪除*／
       list_add_tail(readI，＆free_list)；／*將使用后的緩沖塊插入自由鏈表中*／
       spin_unlock_bh(＆list_lock)；

　　2.5中斷驅(qū)動(dòng)的I／O

　　至此，可以完整地描述ARM與FPGA之間數(shù)據(jù)流動(dòng)的過(guò)程：當(dāng)FPGA的一個(gè)FIFO滿后，向ARM發(fā)出中斷，ARM進(jìn)入中斷處理程序后，讀取FPGA中的FlFO狀態(tài)寄存器(fpga_imf)的值，然后把一個(gè)任務(wù)插到立即隊(duì)列(tq_imrnediate)中，啟動(dòng)底半部分(BH)，同時(shí)將FIFO) 狀態(tài)寄存器的值傳遞給底半部分處理程序(fpga_bh)，完成這些工作后退出中斷處理程序。進(jìn)入底半部分處理程序后，根據(jù)FIFO狀態(tài)寄存器的值確定要處理的F1F0。從FIFO中將數(shù)據(jù)讀出存人到內(nèi)核緩沖塊中，這個(gè)緩沖塊可能是從自由隊(duì)列(free_list)中取出來(lái)的一個(gè)。如果自由隊(duì)列中是空的，就新分配一個(gè)緩沖塊。接下來(lái)將填好的緩沖塊加到讀隊(duì)列(read-list)中，并喚醒睡眠的進(jìn)程，這樣底半部分的工作也完成了。當(dāng)用戶進(jìn)程對(duì)FPGA設(shè)備進(jìn)行讀操作時(shí)，驅(qū)動(dòng)中的read函數(shù)檢查讀鏈表。如果讀鏈表為空，則進(jìn)入睡眠并等待數(shù)據(jù)到來(lái)。有數(shù)據(jù)后將從讀隊(duì)列中取出的緩沖塊的數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間，然后將使用過(guò)的緩沖塊插到自由隊(duì)列中，等待以后再次使用。內(nèi)核緩沖區(qū)的操作過(guò)程如圖3所示。圖3上半部分是在底半部分程序中，下半部分是在read函數(shù)中。

　　結(jié)語(yǔ)

　　連續(xù)數(shù)據(jù)流設(shè)備在uClinux下的驅(qū)動(dòng)，通常會(huì)用到中斷機(jī)制。本文討論的中斷驅(qū)動(dòng)的I／O式為這種應(yīng)用提供了一種實(shí)用的方法。文中所涉及的鏈表、阻塞型I／O、自旋鎖等技術(shù)在驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)中也經(jīng)常得到使用。