引 言

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

為自己的設備在操作系統(tǒng)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(fā)。

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(lián)設備上的。它是旁路接收E1數據并將其發(fā)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(fā)送到服務器上。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(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”，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(qū)內，并由讀取該設備的進程取走緩沖區(qū)內的數據;輸出緩沖區(qū)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(fā)送和接收與write及read系統(tǒng)調用分離開來，提高系統(tǒng)的整體性能。下面是uCllnux下的中斷程序的設計。

2.1 uClinux下的中斷程序

在uClinux系統(tǒng)中，通過調用下面這個函數向系統(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(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(tǒng)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(tǒng)中是調用下面的宏來實現(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(tài)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(tǒng)提供的inl函數。

unmgned mt status

status=inl(FPGA_IMF);

中斷處理程序的執(zhí)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(zhí)行BH時所有的中斷都是打開的，所以說它是在“更安全”時間內運行。2.4版本的uClinux內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(zhí)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。[!--empirenews.page--]

③tu_lmmediate隊列。立即隊列在系統(tǒng)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(fā)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?zhèn)鬟f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(int nr);

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(qū)

uClinux操作系統(tǒng)退出中斷處理程序后，會立即將tq_immediate隊列中任務投入運行，其中也有fpga_bh函數。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(qū)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(qū)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); I

Linux系統(tǒng)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*/

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l(wèi)ist_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)：

struet buf_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(tài)分配的。因為驅動程序是內核的一部分，所以在內核堆區(qū)開辟緩沖區(qū)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(yōu)先權。最常用的優(yōu)先權是GFP_KERNEL，它的意思是該內存分配是由運行在內核態(tài)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(fā)生。這些情況下，current進程就不應該進入睡眠狀態(tài)，這時應該就使用優(yōu)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(qū)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：[!--empirenews.page--]

①當read時發(fā)現(xiàn)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(xiàn)阻塞型I/O，在沒有數據可讀時讓用戶進程進入睡眠狀態(tài)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(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(tài)：

void wait_evet(wait_queue_head_ queue，int condition);

int wait_evem_interruptible(Walt_queue_hean_t queue，int condition);

這兩個函數把等待事件和測試事件是否發(fā)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(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，應該循環(huán)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(fā)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(tài)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(zhí)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(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(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FIFO狀態(tài)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(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函數中。

結語

連續(xù)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(fā)中也經常得到使用。