Linux驅動實踐：中斷處理函式如何【傳送訊號】給應用層？
作 者：道哥，10+年嵌入式開發老兵，專注於：C/C++、嵌入式、Linux。
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大家好，我是道哥，今天我為大夥兒解說的技術知識點是：【中斷程式如何傳送訊號給應用層】。
最近分享的幾篇文章都比較基礎，關於字元類裝置的驅動程式，以及中斷處理程式。
也許在現代的專案是用不到這樣的技術，但是萬丈高樓平地起。
只有明白了這些最基礎的知識點之後，再去看那些進化出來的高階玩意，才會有一步一個腳印
如果缺少了這些基礎的環節，很多深層次的東西，學起來就有點空中樓閣的感覺。
就好比研究Linux核心，如果一上來就從Linux 4.x/5.x核心版本開始研究，可以看到很多“歷史遺留”程式碼。
這些程式碼就見證著Linux一步一步的發展歷史，甚至有些人還會專門去研究 Linux 0.11 版本的核心原始碼，因為很多基本思想都是一樣的。
今天這篇文章，主要還是以程式碼例項為主，把之前的兩個知識點結合起來：
在中斷處理函式中，傳送訊號給應用層，以此來通知應用層處理響應的中斷業務。
驅動程式
示例程式碼全貌
所有的操作都是在 ~/tmp/linux-4.15/drivers 目錄下完成的。
首先建立驅動模組目錄：
$ cd ~/tmp/linux-4.15/drivers
$ mkdir my_driver_interrupt_signal
$ touch my_driver_interrupt_signal.c
檔案內容如下：
#include <linux/module.h> #include <linux/kernel.h> #include <linux/ctype.h> #include <linux/device.h> #include <linux/cdev.h> #include <asm/siginfo.h> #include <linux/pid.h> #include <linux/uaccess.h> #include <linux/sched/signal.h> #include <linux/pid_namespace.h> #include <linux/interrupt.h> // 中斷號 #define IRQ_NUM 1 // 定義驅動程式的 ID，在中斷處理函式中用來判斷是否需要處理 #define IRQ_DRIVER_ID 1234 // 裝置名稱 #define MYDEV_NAME "mydev" // 驅動程式資料結構 struct myirq { int devid; }; struct myirq mydev ={ IRQ_DRIVER_ID }; #define KBD_DATA_REG 0x60 #define KBD_STATUS_REG 0x64 #define KBD_SCANCODE_MASK 0x7f #define KBD_STATUS_MASK 0x80 // 裝置類 static struct class *my_class; // 用來儲存裝置 struct cdev my_cdev; // 用來儲存裝置號 int mydev_major = 0; int mydev_minor = 0; // 用來儲存向誰傳送訊號，應用程式通過 ioctl 把自己的程序 ID 設定進來。 static int g_pid = 0; // 用來發送訊號給應用程式 static void send_signal(int sig_no) { int ret; struct siginfo info; struct task_struct *my_task = NULL; if (0 == g_pid) { // 說明應用程式沒有設定自己的 PID printk("pid[%d] is not valid! \n", g_pid); return; } printk("send signal %d to pid %d \n", sig_no, g_pid); // 構造訊號結構體 memset(&info, 0, sizeof(struct siginfo)); info.si_signo = sig_no; info.si_errno = 100; info.si_code = 200; // 獲取自己的任務資訊，使用的是 RCU 鎖 rcu_read_lock(); my_task = pid_task(find_vpid(g_pid), PIDTYPE_PID); rcu_read_unlock(); if (my_task == NULL) { printk("get pid_task failed! \n"); return; } // 傳送訊號 ret = send_sig_info(sig_no, &info, my_task); if (ret < 0) { printk("send signal failed! \n"); } } //中斷處理函式 static irqreturn_t myirq_handler(int irq, void * dev) { struct myirq mydev; unsigned char key_code; mydev = *(struct myirq*)dev; // 檢查裝置 id，只有當相等的時候才需要處理 if (IRQ_DRIVER_ID == mydev.devid) { // 讀取鍵盤掃描碼 key_code = inb(KBD_DATA_REG); if (key_code == 0x01) { printk("EXC key is pressed! \n"); send_signal(SIGUSR1); } } return IRQ_HANDLED; } // 驅動模組初始化函式 static void myirq_init(void) { printk("myirq_init is called. \n"); // 註冊中斷處理函式 if(request_irq(IRQ_NUM, myirq_handler, IRQF_SHARED, MYDEV_NAME, &mydev)!=0) { printk("register irq[%d] handler failed. \n", IRQ_NUM); return -1; } printk("register irq[%d] handler success. \n", IRQ_NUM); } // 當應用程式開啟裝置的時候被呼叫 static int mydev_open(struct inode *inode, struct file *file) { printk("mydev_open is called. \n"); return 0; } static long mydev_ioctl(struct file* file, unsigned int cmd, unsigned long arg) { void __user *pArg; printk("mydev_ioctl is called. cmd = %d \n", cmd); if (100 == cmd) { // 說明應用程式設定程序的 PID pArg = (void *)arg; if (!access_ok(VERIFY_READ, pArg, sizeof(int))) { printk("access failed! \n"); return -EACCES; } // 把使用者空間的資料複製到核心空間 if (copy_from_user(&g_pid, pArg, sizeof(int))) { printk("copy_from_user failed! \n"); return -EFAULT; } } return 0; } static const struct file_operations mydev_ops={ .owner = THIS_MODULE, .open = mydev_open, .unlocked_ioctl = mydev_ioctl }; static int __init mydev_driver_init(void) { int devno; dev_t num_dev; printk("mydev_driver_init is called. \n"); // 註冊中斷處理函式 if(request_irq(IRQ_NUM, myirq_handler, IRQF_SHARED, MYDEV_NAME, &mydev)!=0) { printk("register irq[%d] handler failed. \n", IRQ_NUM); return -1; } // 動態申請裝置號(嚴謹點的話，應該檢查函式返回值) alloc_chrdev_region(&num_dev, mydev_minor, 1, MYDEV_NAME); // 獲取主裝置號 mydev_major = MAJOR(num_dev); printk("mydev_major = %d. \n", mydev_major); // 建立裝置類 my_class = class_create(THIS_MODULE, MYDEV_NAME); // 建立裝置節點 devno = MKDEV(mydev_major, mydev_minor); // 初始化cdev結構 cdev_init(&my_cdev, &mydev_ops); // 註冊字元裝置 cdev_add(&my_cdev, devno, 1); // 建立裝置節點 device_create(my_class, NULL, devno, NULL, MYDEV_NAME); return 0; } static void __exit mydev_driver_exit(void) { printk("mydev_driver_exit is called. \n"); // 刪除裝置節點 cdev_del(&my_cdev); device_destroy(my_class, MKDEV(mydev_major, mydev_minor)); // 釋放裝置類 class_destroy(my_class); // 登出裝置號 unregister_chrdev_region(MKDEV(mydev_major, mydev_minor), 1); // 登出中斷處理函式 free_irq(IRQ_NUM, &mydev); } MODULE_LICENSE("GPL"); module_init(mydev_driver_init); module_exit(mydev_driver_exit);
以上程式碼主要做了兩件事情：
註冊中斷號 1 的處理函式：myirq_handler();
建立裝置節點 /dev/mydev;
這裡的中斷號1，是鍵盤中斷。
因為它是共享的中斷，因此當鍵盤被按下的時候，作業系統就會依次呼叫所有的中斷處理函式，當然就包括我們的驅動程式所註冊的這個函式。
中斷處理部分相關的幾處關鍵程式碼如下：
//中斷處理函式
static irqreturn_t myirq_handler(int irq, void * dev)
{
...
}
// 驅動模組初始化函式
static void myirq_init(void)
{
...
request_irq(IRQ_NUM, myirq_handler, IRQF_SHARED, MYDEV_NAME, &mydev);
...
}
在中斷處理函式中，目標是傳送訊號 SIGUSR1 到應用層，因此驅動程式需要知道應用程式的程序號(PID)。
根據之前的文章Linux驅動實踐：驅動程式如何傳送【訊號】給應用程式？，應用程式必須主動把自己的 PID 告訴驅動模組才可以。這可以通過 write 或者ioctl函式來實現，
驅動程式用來接收 PID 的相關程式碼是：
static long mydev_ioctl(struct file* file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
...
if (100 == cmd)
{
pArg = (void *)arg;
...
copy_from_user(&g_pid, pArg, sizeof(int));
}
}
知道了應用程式的 PID，驅動程式就可以在中斷髮生的時候(按下鍵盤ESC鍵)，傳送訊號出去了：
static void send_signal(int sig_no)
{
struct siginfo info;
...
send_sig_info(...);
}
static irqreturn_t myirq_handler(int irq, void * dev)
{
...
send_signal(SIGUSR1);
}
Makefile 檔案
ifneq ($(KERNELRELEASE),)
obj-m := my_driver_interrupt_signal.o
else
KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)
default:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
clean:
rm -rf *.o *.ko *.mod.* modules.* Module.*
$(MAKE) -C $(KERNEL_PATH) M=$(PWD) clean
endif
編譯、測試
首先檢視一下載入驅動模組之前，1號中斷的所有驅動程式：
再看一下裝置號：
$ cat /proc/devices
因為驅動註冊在建立裝置節點的時候，是動態請求系統分配的。
根據之前的幾篇文章可以知道，系統一般會分配244這個主裝置號給我們，此刻還不存在這個裝置號。
編譯、載入驅動模組：
$ make
$ sudo insmod my_driver_interrupt_signal.ko
首先看一下 dmesg 的輸出資訊：
然後看一下中斷驅動程式：
可以看到我們的驅動程式( mydev )已經登記在1號中斷的最右面。
最後看一下裝置節點情況：
驅動模組已經準備妥當，下面就是應用程式了。
應用程式
應用程式的主要功能就是兩部分：
通過 ioctl 函式把自己的 PID 告訴驅動程式;
註冊訊號 SIGUSR1 的處理函式;
示例程式碼全貌
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <signal.h>
char *dev_name = "/dev/mydev";
// 訊號處理函式
static void signal_handler(int signum, siginfo_t *info, void *context)
{
// 列印接收到的訊號值
printf("signal_handler: signum = %d \n", signum);
printf("signo = %d, code = %d, errno = %d \n",
info->si_signo,
info->si_code,
info->si_errno);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd, count = 0;
int pid = getpid();
// 開啟GPIO
if((fd = open(dev_name, O_RDWR | O_NDELAY)) < 0){
printf("open dev failed! \n");
return -1;
}
printf("open dev success! \n");
// 註冊訊號處理函式
struct sigaction sa;
sigemptyset(&sa.sa_mask);
sa.sa_sigaction = &signal_handler;
sa.sa_flags = SA_SIGINFO;
sigaction(SIGUSR1, &sa, NULL);
// set PID
printf("call ioctl. pid = %d \n", pid);
ioctl(fd, 100, &pid);
// 死迴圈，等待接收訊號
while (1)
sleep(1);
// 關閉裝置
close(fd);
}
在應用程式的最後，是一個 while(1) 死迴圈。因為只有在按下鍵盤上的ESC按鍵時，驅動程式才會傳送訊號上來，因此應用程式需要一直存活著。
編譯、測試
新開一箇中斷視窗，編譯、執行應用程式：
$ gcc my_interrupt_singal.c -o my_interrupt_singal
$ sudo ./my_interrupt_singal
open dev success!
call ioctl. pid = 12907
// 這裡進入 while 迴圈
由於應用程式呼叫了 open 和 ioctl 這兩個函式，因此，驅動程式中兩個對應的函式就會被執行。
這可以通過 dmesg 命令的輸出資訊看出來：
這個時候，按下鍵盤上的 ESC 鍵，此時驅動程式中列印如下資訊：
說明：驅動程式捕獲到了鍵盤上的 ESC 鍵，並且傳送訊號給應用程式了。
在執行應用程式的終端視窗中，可以看到如下輸出資訊：
說明：應用程式接收到了驅動程式發來的訊號！
文中的測試程式碼和相關文件，已經放在網盤了。
在公眾號【IOT物聯網小鎮】後臺回覆關鍵字：1220，即可獲取下載地址。
謝謝！
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