uClinux下中斷驅(qū)動的I／O方式
關(guān)鍵詞 uClinux 中斷驅(qū)動 I／O方式
引 言
在32位微處理器逐漸成為嵌入式系統(tǒng)主流的同時，嵌入式應(yīng)用也變得越來越復(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)動程序，是嵌入式設(shè)計必不可少的部分。針對不同的設(shè)備類型，選擇合適的驅(qū)動程序的模式，同樣也是十分重要的。通常的設(shè)備驅(qū)動采用直接I／O的方式，如存儲器、看門狗等；而對于象網(wǎng)絡(luò)這樣的數(shù)據(jù)流設(shè)備的驅(qū)動，則應(yīng)該用到中斷機制。
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)動的I／O設(shè)備驅(qū)動的開發(fā)。
1 應(yīng)用背景
1.1 硬件描述
本文介紹的驅(qū)動程序是應(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)的某一臺服務(wù)器上，在服務(wù)器上對E1的話路和信令時隙分析。
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)動程序中斷機制的設(shè)計。
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FIFO。為了防止ARM和FPGA操作的沖突，ARM和FPGA對兩個FIFO操作采用乒乓方式，這樣ARM和FPGA就可以同時操作不同的FIFO，而不需要等待。FIFO的大小是4096位，能容納一個E1復(fù)幀的數(shù)據(jù)量。當(dāng)FPGA將一個FIFO填滿后，會用中斷的方式通知ARM來讀FIFO，同時FPGA會置內(nèi)部的F1FO狀態(tài)寄存器。FIFO)狀態(tài)寄存器命名為fpga_imf，是一個32位的寄存器，用其中某幾位置“l(fā)”，表示對應(yīng)的FIFO需要讀取。
2 軟件設(shè)計
中斷驅(qū)動的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)備的進程取走緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)；輸出緩沖區(qū)由寫設(shè)備的進程填充，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)用分離開來，提高系統(tǒng)的整體性能。下面是uCllnux下的中斷程序的設(shè)計。
2.1 uClinux下的中斷程序
在uClinux系統(tǒng)中，通過調(diào)用下面這個函數(shù)向系統(tǒng)申請一個中斷通道(或中斷請求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。在本系統(tǒng)中它對應(yīng)于S3C4510B的21個中斷源。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是一個與中斷管理有關(guān)的各種選項的字節(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線。函數(shù)的返回值為O時表示成功，或者返回一個負(fù)的錯誤碼。函數(shù)返回一EBUJSY通知另一個設(shè)備驅(qū)動程序已經(jīng)使用了要申請的中斷信號線。下面是FPGA的設(shè)備中斷申請函數(shù)。這個函數(shù)是在驅(qū)動中的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”)；
}
}
在申請了中斷通道后，系統(tǒng)會響應(yīng)外部中斷0，而進入中斷處理程序。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)用下面的宏來實現(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)地對數(shù)據(jù)進行讀寫。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FIFO及128字。這是一個需要較長時間的外部I／O操作，所以把這個操作放到中斷處理的底半部(bottom-haIf)來完成。下面介紹中斷處理的底半部的設(shè)計。
2.2 BH機制
底半部處理程序和上半部最大的不同就在于，在執(zhí)行BH時所有的中斷都是打開的，所以說它是在“更安全”時間內(nèi)運行。2．4版本的uClinux內(nèi)核有三種機制來實現(xiàn)底半部的處理：軟中斷、tasklet和BH。在這里選用了較為簡單的BH機制。
BH機制實際上是一個任務(wù)隊列，中斷處理程序?qū)⒁幚淼娜蝿?wù)插到特定的任務(wù)隊列中等待內(nèi)核執(zhí)行。內(nèi)核維護著多個任務(wù)隊列，但驅(qū)動程序只能用前三種：
①tq_scheduler隊列。當(dāng)調(diào)度器被運行時，該隊列就會被處理。因為此時調(diào)度器在被調(diào)度出的進程的上下文中運行，所以該隊列中的任務(wù)幾乎可以做任何事。它們不會在中斷時運行。
②tq_timer隊列。該隊列由定時器隊列處理程序(timertick)運行，因為該處理程序是在中斷時問運行的。該隊列中的所有任務(wù)就也是在中斷時間內(nèi)運行的。
③tu_lmmediate隊列。立即隊列在系統(tǒng)調(diào)用返回時或調(diào)度器運行時盡快得到處理的(不管兩種情況誰先發(fā)生了)。該隊列是在中斷時間內(nèi)得到處理的。
隊列元素由下面的結(jié)構(gòu)來描述：
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)插入隊列，必須先設(shè)置好結(jié)構(gòu)的這些字段，并把next和sync兩個字段清零。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，這會破壞next指針。一旦任務(wù)被排人隊列，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)動中，定義了一個任務(wù)隊列元素用于完成底半部分：
struct tq_struct el_task；
unsigned int el_line；
el_line數(shù)組用來保存?zhèn)鬟f給任務(wù)的參數(shù)。在打開FPGA時要對任務(wù)隊列結(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)的實參。
與任務(wù)隊列有關(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)排進隊列中。它關(guān)閉了中斷，避免了競爭，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隊列中，所以，list被賦值為＆tq_immediate。
當(dāng)某段代碼需要調(diào)度運行下半部處理時，只要調(diào)用mark_bh即可：
void mark_bh(int nr)；
這里，nr是激活的BH的類型。這個數(shù)是在頭文件<linux／interupth>中定義的一個符號常數(shù)。每個下半部BH相應(yīng)的處理函數(shù)由擁有它的那個驅(qū)動程序提供。
完成任務(wù)隊列元素設(shè)置后，中斷處理函數(shù)中就可以啟用BH機制。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隊列中，再調(diào)用mark_bh(IMMEDIATE_BH)，啟動底半部分處理。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，會立即將tq_immediate隊列中任務(wù)投入運行，其中也有fpga_bh函數(shù)。在進入fpga_bh同時，系統(tǒng)會將el_line的地址作為實參傳遞給形參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。底半部分程序中會檢查這個值的每一位，據(jù)此決定需要讀的FIFO。
從FIFO中讀上來的數(shù)據(jù)都是存放在內(nèi)核的緩沖區(qū)中的。因為每一個FIFO的容量是一個E1的復(fù)幀，所以內(nèi)核的緩沖也是以E1復(fù)幀的大小為一個緩沖塊。緩沖塊用鏈表串連起來。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說明了數(shù)據(jù)塊的大小。這是一個以“字”為單位的數(shù)值。緩沖塊在內(nèi)核堆區(qū)開辟，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。為了使用鏈表機制，驅(qū)動必須包含頭文件<linux／list．h>。其中定義了list_head類型結(jié)構(gòu)：
struct list_head{
struct list_head*next．*prev;
為了訪問緩沖塊鏈表,還要建立一個鏈表頭,在驅(qū)動 中定義全局變量：
struct list_head read_list;
鏈表頭必須是一個獨立的list_head結(jié)構(gòu)。在使用之前，必須用INIT_LIST_HEAD宏來初始化鏈表頭：
INIT_LIST_HEAD(&readlist)； I
Linux系統(tǒng)提供了鏈表的操作函數(shù)，在頭文件<linux／list．h>中：
list_add(struet list_head*new，struct list_head*head)； ／*在鏈表頭后插入一個新項*／
list_add_tail(stuot list_head*new，struet list_head*head)； ／*在鏈表尾部添加一個新項*／
list_del(struet_list_head*entry)； ／*將給定項從鏈表中刪除*／
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)； ／*訪問包含鏈表頭的結(jié)構(gòu)*／
其中l(wèi)ist_entry的作用是一個1ist_head結(jié)構(gòu)指針映射回一個指向包含它的大結(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)：
struet buf_strcut*buf=list_entry(real,struct buf_struct,list)；
底半部分處理程序中，內(nèi)核緩沖塊是動態(tài)分配的。因為驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分，所以在內(nèi)核堆區(qū)開辟緩沖區(qū)就要用專用的函數(shù)，在頭文件<linux／malloc．h>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*／
void kfree(void*obi/*釋放kmalloc分配的空間*／
kmalloc函數(shù)的第1個參數(shù)是size(大小)，第2個參數(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)存分配是由運行在內(nèi)核態(tài)的進程調(diào)用的。有時kmalloc是在進程上下文之外調(diào)用的，比如在中斷處理、任務(wù)隊列處理和內(nèi)核定時器處理時發(fā)生。這些情況下，current進程就不應(yīng)該進入睡眠狀態(tài)，這時應(yīng)該就使用優(yōu)先權(quán)GFP_ATOMIC。
不要過于頻繁地用kmalloc在內(nèi)核堆中分配空間，因為在分配空間時可能有中斷到來，這樣是不安全的。在驅(qū)動中建立另一個鏈表用于回收使用過的緩沖塊。在驅(qū)動中用free_1ist作為回收緩沖塊的鏈表頭：
struct list_head free_list；
這樣就存在兩個鏈表：一個是裝載著數(shù)據(jù)的鏈表，一個是已經(jīng)使用過的緩沖塊的鏈表(稱為自由鏈表)。那么只要自由鏈表中還有表項，在需要緩沖塊時就可以直接從自由鏈表中取出一個使用，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。在進行這種操作時有兩種情況是應(yīng)該注意的：
①當(dāng)read時發(fā)現(xiàn)讀鏈表是空，也就是還沒有數(shù)據(jù)可讀。
這種情況下，可以讓read立即返回一EAGAIN，告知用戶進程沒有讀到數(shù)據(jù)；另一個辦法就是實現(xiàn)阻塞型I／O，在沒有數(shù)據(jù)可讀時讓用戶進程進入睡眠狀態(tài)并等待數(shù)據(jù)。
有幾種處理和喚醒的方法，都要處理同一個基本的數(shù)據(jù)類型——等待隊列(walt_queue_head_t)，就是由正在等待某事件發(fā)生的進程組成的一個隊列。使用之前必須聲明和初始化，在驅(qū)動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)之一讓進程進入睡眠狀態(tài)：
void wait_evet(wait_queue_head_ queue，int condition);
int wait_evem_interruptible(Walt_queue_hean_t queue，int condition)；
這兩個函數(shù)把等待事件和測試事件是否發(fā)生合并起來。調(diào)用之后，進程會一直睡眠到C布爾表達式condition為真時為止。在驅(qū)動中的read函數(shù)中，判斷讀鏈表為空，就調(diào)用它進入睡眠：
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；
}
對應(yīng)上面的函數(shù)，要喚醒進程可以調(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)動程序應(yīng)該在數(shù)據(jù)到來后及時喚醒進程，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)測試condition。
②當(dāng)read操作正在訪問某一個鏈表時，底半程序也要訪問同一個鏈表。這樣是比較危險的，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操作訪問鏈表前獲得鎖，訪問結(jié)束時解鎖。底半部要訪問鏈表時先要檢查自旋鎖是否已上鎖，如果有，則等待到鎖可用。
自旋鎖使用類型spinlock_t來描述。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在read操作訪問鏈表時來訪問鏈表。程序中如下實現(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)動的I／O
至此，可以完整地描述ARM與FPGA之間數(shù)據(jù)流動的過程：當(dāng)FPGA的一個FIFO滿后，向ARM發(fā)出中斷，ARM進入中斷處理程序后，讀取FPGA中的FlFO狀態(tài)寄存器(fpga_imf)的值，然后把一個任務(wù)插到立即隊列(tq_imrnediate)中，啟動底半部分(BH)，同時將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，這個緩沖塊可能是從自由隊列(free_list)中取出來的一個。如果自由隊列中是空的，就新分配一個緩沖塊。接下來將填好的緩沖塊加到讀隊列(read-list)中，并喚醒睡眠的進程，這樣底半部分的工作也完成了。當(dāng)用戶進程對FPGA設(shè)備進行讀操作時，驅(qū)動中的read函數(shù)檢查讀鏈表。如果讀鏈表為空，則進入睡眠并等待數(shù)據(jù)到來。有數(shù)據(jù)后將從讀隊列中取出的緩沖塊的數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間，然后將使用過的緩沖塊插到自由隊列中，等待以后再次使用。內(nèi)核緩沖區(qū)的操作過程如圖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
連續(xù)數(shù)據(jù)流設(shè)備在uClinux下的驅(qū)動，通常會用到中斷機制。本文討論的中斷驅(qū)動的I／O式為這種應(yīng)用提供了一種實用的方法。文中所涉及的鏈表、阻塞型I／O、自旋鎖等技術(shù)在驅(qū)動程序的開發(fā)中也經(jīng)常得到使用。
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