Linux驱动编程（驱动程序基石）（下）

一、中断的线程化处理

复杂、耗时的事情，尽量使用内核线程来处理。上节视频介绍的工作队列用起来挺简单，但是它有一个缺点：工作队列中有多个 work，前一个 work 没处理完会影响后面的 work。解决方法有很多种，比如干脆自己创建一个内核线程，不跟别的 work 凑在一块了。

对于中断处理，还有另一种方法：threaded irq，线程化的中断处理。中断的处理仍然可以认为分为上半部、下半部。上半部用来处理紧急的事情，下半部用一个内核线程来处理，这个内核线程专用于这个中断。
你可以只提供 thread_fn，系统会为这个函数创建一个内核线程。发生中断时，系统会立刻调用 handler函数，然后唤醒某个内核线程，内核线程再来执行 thread_fn 函数。

8.1、内核机制

调用 request_threaded_irq 后内核的数据结构

request_threaded_irq

request_threaded_irq 函数，肯定会创建一个内核线程。

int request_threaded_irq(unsigned int irq, irq_handler_t handler,irq_handler_t thread_fn, unsigned long irqflags,const char *devname, void *dev_id)
{// 分配、设置一个 irqaction 结构体action = kzalloc(sizeof(struct irqaction), GFP_KERNEL);if (!action)return -ENOMEM;action->handler = handler;action->thread_fn = thread_fn;action->flags = irqflags;action->name = devname;action->dev_id = dev_id;retval = __setup_irq(irq, desc, action); // 进一步处理
}

__setup_irq 函数代码如下(只摘取重要部分)：

if (new->thread_fn && !nested) {ret = setup_irq_thread(new, irq, false);

setup_irq_thread 函数代码如下(只摘取重要部分)：

if (!secondary)
{t = kthread_create(irq_thread, new, "irq/%d-%s", irq,new->name);
}
else
{t = kthread_create(irq_thread, new, "irq/%d-s-%s", irq,new->name);param.sched_priority -= 1;
}
new->thread = t;

二、mmap

应用程序和驱动程序之间传递数据时，可以通过 read、write 函数进行。这涉及在用户态 buffer 和内核态 buffer 之间传数据，如下图所示：
2.1、内存映射现象与数据结构

假设有这样的程序，名为 test.c：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>int a;int main(int argc, char **argv)
{if (argc != 2){printf("Usage: %s <number>\n", argv[0]);return -1;}a = strtol(argv[1], NULL, 0);printf("a's address = 0x%lx, a's value = %d\n", &a, a);while (1){sleep(10);}return 0;
}

在 PC 上如下编译(必须静态编译)：

gcc -o test test.c -staitc

分别执行 test 程序 2 次，最后执行 ps，可以看到这 2 个程序同时存在，这 2 个程序里 a 变量的地址相同，但是值不同。如下图：

观察到这些现象：
① 2 个程序同时运行，它们的变量 a 的地址都是一样的：0x6bc3a0；
② 2 个程序同时运行，它们的变量 a 的值是不一样的，一个是 12，另一个是 123。
疑问来了：
① 这 2 个程序同时在内存中运行，它们的值不一样，所以变量 a 的地址肯定不同；
② 但是打印出来的变量 a 的地址却是一样的。
这里要引入虚拟地址的概念：CPU 发出的地址是虚拟地址，它经过 MMU(Memory Manage Unit，内存管理单元)映射到物理地址上，对于不同进程的同一个虚拟地址，MMU 会把它们映射到不同的物理地址。如下图：

当前运行的是 app1 时，MMU 会把 CPU 发出的虚拟地址 addr 映射为物理地址 paddr1，用 paddr1 去访问内存。
当前运行的是 app2 时，MMU 会把 CPU 发出的虚拟地址 addr 映射为物理地址 paddr2，用 paddr2 去访问内存。
MMU 负责把虚拟地址映射为物理地址，虚拟地址映射到哪个物理地址去？
可以执行 ps 命令查看进程 ID，然后执行“cat /proc/325/maps”得到映射关系。
每一个 APP 在内核里都有一个 tast_struct，这个结构体中保存有内存信息：mm_struct。而虚拟地址、物理地址的映射关系保存在页目录表中，如下图所示：

2.2、怎么给 APP 新建一块内存映射

1、mmap 调用过程

① 得到一个 vm_area_struct，它表示 APP 的一块虚拟内存空间；
APP 调用 mmap 系统函数时，内核就帮我们构造了一个 vm_area_stuct 结构体。里面含有虚拟地址的地址范围、权限。

② 确定物理地址
你想映射某个内核 buffer，你需要得到它的物理地址，这得由你提供。

③ 给 vm_area_struct 和物理地址建立映射关系
APP 里调用 mmap 时，导致的内核相关函数调用过程如下：

3、驱动程序要做的事

驱动程序要做的事情有 3 点：
① 确定物理地址
② 确定属性：是否使用 cache、buffer
③ 建立映射关系
参考 Linux 源文件，示例代码如下：

还有一个更简单的函数：

4、APP 编程

APP 怎么写？open 驱动、buf=mmap(……)映射内存，直接读写 buf 就可以了，代码如下：

/* 1. 打开文件 */
fd = open("/dev/hello", O_RDWR);if (fd == -1)
{printf("can not open file /dev/hello\n");return -1;
}/* 2. mmap
* MAP_SHARED : 多个 APP 都调用 mmap 映射同一块内存时, 对内存的修改大家都可以看到。
* 就是说多个 APP、驱动程序实际上访问的都是同一块内存
* MAP_PRIVATE : 创建一个 copy on write 的私有映射。
* 当 APP 对该内存进行修改时，其他程序是看不到这些修改的。
* 就是当 APP 写内存时, 内核会先创建一个拷贝给这个 APP,
* 这个拷贝是这个 APP 私有的, 其他 APP、驱动无法访问。
*/
buf = mmap(NULL, 1024*8, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);if (buf == MAP_FAILED)
{printf("can not mmap file /dev/hello\n");return -1;
}
printf("mmap address = 0x%x\n", buf);
printf("buf origin data = %s\n", buf); /* old *//* 3. write */
strcpy(buf, "new");/* 4. read & compare */
/* 对于 MAP_SHARED 映射: str = "new"
* 对于 MAP_PRIVATE 映射: str = "old"
*/
read(fd, str, 1024);
if (strcmp(buf, str) == 0)
{/* 对于 MAP_SHARED 映射，APP 写的数据驱动可见* APP 和驱动访问的是同一个内存块*/printf("compare ok!\n");
}
else
{/* 对于 MAP_PRIVATE 映射，APP 写数据时, 是写入另一个内存块(是原内存块的"拷贝")*/printf("compare err!\n");printf("str = %s!\n", str); /* old */printf("buf = %s!\n", buf); /* new */
}

5、驱动编程
① 分配一块 8K 的内存
使用哪一个函数分配内存？

② 提供 mmap 函数
关键在于 mmap 函数，代码如下：

要注意的是，remap_pfn_range 中，pfn 的意思是“Page Frame Number”。在 Linux 中，整个物理地址空间可以分为第 0 页、第 1 页、第 2 页，诸如此类，这就是 pfn。假设每页大小是 4K，那么给定物理地址phy，它的 pfn = phy / 4096 = phy >> 12。内核的 page 一般是 4K，但是也可以配置内核修改 page 的大小。所以为了通用，pfn = phy >> PAGE_SHIFT。