引 言
在32位微處理器逐漸成為嵌入式系統主流的同時，嵌入式應用也變得越來越復雜。許多嵌入式系統都不得不借助于專用的操作系統來支撐自己的應用。uClinux作為類Unix操作系統，繼承了Linux的各種優秀的品質，成為首選的嵌入式系統的操作系統。
為自己的設備在操作系統下添加驅動程序，是嵌入式設計必不可少的部分。針對不同的設備類型，選擇合適的驅動程序的模式，同樣也是十分重要的。通常的設備驅動采用直接I／O的方式，如存儲器、看門狗等；而對于象網絡這樣的數據流設備的驅動，則應該用到中斷機制。
本文以uClinux為背景，以一種數據流設備為目標，介紹中斷驅動的I／O設備驅動的開發。
1 應用背景
1.1 硬件描述
本文介紹的驅動程序是應用在一種電信E1線路和以太網互聯設備上的。它是旁路接收E1數據并將其發送到以太網的某一臺服務器上，在服務器上對E1的話路和信令時隙分析。
該設備中的處理器是采用三星公司出品的網絡型ARM 處理器S3C4510B。E1線路接口采用Dallas半導體公司的專用El接口單元(LIU)芯片DS2148，它完成波形整理、時鐘恢復和HDB3解碼。DS2148將整理后的E1數據流送給一片Altera公司的Cyclone系列的FPGA(EPlC3T144C8)，它將串行的E1數據流存入到 FIFO，再通過ARM的32位外部總線將數據傳送給ARM。ARM將數據打包通過以太網發送到服務器上。圖l所示是本系統的硬件框圖。本文主要介紹接在 ARM的外部總線上的FPGA，在uClinux下的驅動程序中斷機制的設計。
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FIFO的結構
在FPGA內部設置了兩個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復幀的數據量。當FPGA將一個FIFO填滿后，會用中斷的方式通知 ARM來讀FIFO，同時FPGA會置內部的F1FO狀態寄存器。FIFO)狀態寄存器命名為fpga_imf，是一個32位的寄存器，用其中某幾位置 ，表示對應的FIFO需要讀取。
2 軟件設計
中斷驅動的I／O是指，輸人數據在中斷期間被填充到緩沖區內，并由讀取該設備的進程取走緩沖區內的數據；輸出緩沖區由寫設備的進程填充，并在中斷期間取走數據。數據緩沖可以將數據的發送和接收與write及read系統調用分離開來，提高系統的整體性能。下面是uCllnux下的中斷程序的設計。
2.1 uClinux下的中斷程序
在uClinux系統中，通過調用下面這個函數向系統申請一個中斷通道(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。在本系統中它對應于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的指針。 flags是一個與中斷管理有關的各種選項的字節掩碼。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。函數的返回值為O時表示成功，或者返回一個負的錯誤碼。函數返回一EBUJSY通知另一個設備驅動程序已經使用了要申請的中斷信號線。下面是FPGA的設備中斷申請函數。這個函數是在驅動中的fpga_open函數中被調用的。
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，系統會響應外部中斷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可以產生新的中斷。在uClinux系統中是調用下面的宏來實現的。
#deflne CLEAR_PEND_INT(n) IntPend=(1<<(n))
中斷處理程序功能就是將有關中斷接收的信息反饋給設備，并根據要服務的中斷的不同含義相應地對數據進行讀寫。所以FPGA的中斷處理的主要任務是，讀取 FPGA中FIFO狀態寄存器的值，獲取需要讀取的FIFO的信息并安排接收數據。在程序中用到了系統提供的inl函數。
unmgned mt status
status="inl"(FPGA_IMF)；
中斷處理程序的執行應盡可能的短，而從FPGA中接收數據，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
運行。2．4版本的uClinux內核有三種機制來實現底半部的處理：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隊列，中斷處理程序將要處理的任務插到特定的任務隊列中等待內核執行。內核維護著多個任務隊列，但驅動程序只能用前三種：
①tq_scheduler隊列。當調度器被運行時，該隊列就會被處理。因為此時調度器在被調度出的進程的上下文中運行，所以該隊列中的任務幾乎可以做任何事。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就也是在中斷時間內運行的。
③tu_lmmediate隊列。立即隊列在系統調用返回時或調度器運行時盡快得到處理的(不管兩種情況誰先發生了)。該隊列是在中斷時間內得到處理的。
隊列元素由下面的結構來描述：
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*)； ／*調用的函數*／
void*data; ／*傳遞給函數的參數*／
}；
上面的數據結構中最重要的字段是rotltine和data。將要延遲的任務插入隊列，必須先設置好結構的這些字段，并把next和sync兩個字段清零。結構中的sync標志位用于避免同一任務被插人多次，這會破壞next指針。一旦任務被排人隊列，該數據結構就被認為是內核“擁有”了，不能再被修改。
在FPGA的驅動中，定義了一個任務隊列元素用于完成底半部分：
struct tq_struct el_task；
unsigned int el_line；
el_line數組用來保存傳遞給任務的參數。在打開FPGA時要對任務隊列結構賦值：
el_task．routine=fpga_bh；
e1 task．data=＆e1_line：
上面的fpga_bh是底半部分處理函數void fpga_bh(unsigned int*line)的函數名，el_line是傳遞給fpga_bh函數的實參。
與任務隊列有關的還有下面的函數：
void queue_task(struct tq_struet*task，task_queue*List)；
正如該函數的名字，本函數用于將任務排進隊列中。它關閉了中斷，避免了競爭，因此可以被模塊中任一函數調用。FPGA的任務被插入到tq_immediate隊列中，所以，list被賦值為＆tq_immediate。
當某段代碼需要調度運行下半部處理時，只要調用mark_bh即可：
void mark_bh(intnr)；
這里，nr是激活的BH的類型。這個數是在頭文件中定義的一個符號常數。每個下半部BH相應的處理函數由擁有它的那個驅動程序提供。
完成任務隊列元素設置后，中斷處理函數中就可以啟用BH機制。在讀得fpga_imf的值后將其賦給el_line，然后調用queue_task將任務插入到tq_immediate隊列中，再調用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
uClinux操作系統退出中斷處理程序后，會立即將tq_immediate隊列中任務投入運行，其中也有fpga_bh函數。在進入fpga_bh同時，系統會將el_line的地址作為實參傳遞給形參line。也就是將FIFO狀態寄存器(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，據此決定需要讀的FIFO。
從FIFO中讀上來的數據都是存放在內核的緩沖區中的。因為每一個FIFO的容量是一個E1的復幀，所以內核的緩沖也是以E1復幀的大小為一個緩沖塊。緩沖塊用鏈表串連起來。緩沖單元的數據結構如下：
struct buf_struct{
struct list_head list； ／*鏈表頭*／
unsigned int buf_size； ／*數據塊的大小*／
unsigned int*buLhead； ／*緩沖塊的指針*／
unsigned int*buL_curl; ／*緩沖塊當前指針*／
}；
buf_size說明了數據塊的大小。這是一個以“字”為單位的數值。緩沖塊在內核堆區開辟，buf_head指向實際的緩沖塊的首地址，而buf_cur指向緩沖塊中正在操作的單元。為了使用鏈表機制，驅動必須包含頭文件。其中定義了list_head類型結構：
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結構。在使用之前，必須用INIT_LIST_HEAD宏來初始化鏈表頭：
INIT_LIST_HEAD(&readlist)；
Linux系統提供了鏈表的操作函數，在頭文件中：
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*／
nbsp;
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構*／
其中list_entry的作用是一個1ist_head結構指針映射回一個指向包含它的大結構的指針。ptr是指向structlist_head結構的指針，type_of_struct是包含ptr的結構類型，field_name是結構中鏈表字段的名字。如可以用這個宏將指向數據緩沖塊的鏈表指針 (readl)映射為緩沖塊結構指針(buf)：
struetbuf_strcut*buf=list_entry(real,struct buf_struct,list)；
底半部分處理程序中，內核緩沖塊是動態分配的。因為驅動程序是內核的一部分，所以在內核堆區開辟緩沖區就要用專用的函數，在頭文件定義了如下函數：
void*kmalloc(size t size，int flags);／*在內核堆中分配size大小的空問*／
void kfree(void*obi/*釋放kmalloc分配的空間*／
kmalloc函數的第1個參數是size(大小)，第2個參數是優先權。最常用的優先權是GFP_KERNEL，它的意思是該內存
分配是由運行在內核態的進程調用的。有時kmalloc是在進程上下文之外調用的，比如在中斷處理、任務隊列處理和內核定時器處理時發生。這些情況下，current進程就不應該進入睡眠狀態，這時應該就使用優先權GFP_ATOMIC。
不要過于頻繁地用kmalloc在內核堆中分配空間，因為在分配空間時可能有中斷到來，這樣是不安全的。在驅動中建立另一個鏈表用于回收使用過的緩沖塊。在驅動中用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：一個是裝載著數據的鏈表，一個是已經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
在驅動程序中，read的工作是將內核緩沖區中拷貝到用戶空間。在進行這種操作時有兩種情況是應該注意的：
①當read時發現讀鏈表是空，也就是還沒有數據可讀。
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據；另一個辦法就是實現阻塞型I／O，在沒有數據可讀時讓用戶進程進入睡眠狀態并等待數據。
有幾種處理和喚醒的方法，都要處理同一個基本的數據類型——等待隊列(walt_queue_head_t)，就是由正在等待某事件發生的進程組成的一個隊列。使用之前必須聲明和初始化，在驅動程序中是如下聲明的：
wait_queue_head_t read_Jqueue;
init_waitqueue_head(＆read_queue)；
可以調用如下函數之一讓進程進入睡眠狀態：
void wait_evet(wait_queue_head_ queue，int condition);
int wait_evem_interruptible(Walt_queue_hean_t queue，int condition)；
這兩個函數把等待事件和測試事件是否發生合并起來。調用之后，進程會一直睡眠到C布爾表達式condition為真時為止。在驅動中的read函數中，判斷讀鏈表為空，就調用它進入睡眠：
while(1ist_efnpty(＆read_list)){
If(filp一>f_flags δO_NoNBLOCK)／*如果設置成非阻塞I／o*／
return—EAGAIN;
; if(wait_evert_interruptible(read_queue，!list_empty(δread_list))) return—ERESTARTSYS；
}
對應上面的函數，要喚醒進程可以調用下面的函數：
wake_up(wait_queue_gead_t*queue)；
wake_up_jnterruptlbk(wait_queue_head_t*queue)；
驅動程序應該在數據到來后及時喚醒進程，也就是從FIFO讀取數據后，在退出底半部處理程序前執行：
wake_up_mterIuptible(＆read_queue);
要指出的是被喚醒并不保證等待的事件發生了，所以從睡眠態返回后，應該循環測試condition。
②當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，應該避免。
為了避免這種情況的發生，這里使用自旋鎖。在read操作訪問鏈表前獲得鎖，訪問結束時解鎖。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方式如下：
spinlock_t1ist_10ck=SPIN_LoCK_UNLOCKED；
處理自旋鎖的函數如下：
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行的函數，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：
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中斷驅動的I／O
至此，可以完整地描述ARM與FPGA之間數據流動的過程：當FPGA的一個FIFO滿后，向ARM發出中斷，ARM進入中斷處理程序后，讀取FPGA中的FlFO狀態寄存器(fpga_imf)的值，然后把一個任務插到立即隊列(tq_imrnediate)中，啟動底半部分(BH)，同時將FIFO) 狀態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FIFO狀態寄存器的值確定要處理的F1F0。從FIFO中將數據讀出存人到內核緩沖塊中，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。當用戶進程對FPGA設備進行讀操作時，驅動中的read函數檢查讀鏈表。如果讀鏈表為空，則進入睡眠并等待數據到來。有數據后將從讀隊列中取出的緩沖塊的數據拷貝到用戶空間，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。內核緩沖區的操作過程如圖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函數中。
結語
連續數據流設備在uClinux下的驅動，通常會用到中斷機制。本文討論的中斷驅動的I／O式為這種應用提供了一種實用的方法。文中所涉及的鏈表、阻塞型I／O、自旋鎖等技術在驅動程序的開發中也經常得到使用。
(審核編輯: 智匯李)
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