LINUX 中斷子系統專欄之二 虛擬中斷控制器驅動實現

在上一篇文章中，我們簡要分析了中斷子系統框架，本章我們將通過實現一個虛擬的中斷控制器驅動，說明如何進行中斷控制器驅動開發。本章的內容大概分為如下幾部分：

一、實現虛擬中斷控制器的可行性說明

二、中斷控制器驅動的開發流程

三、虛擬中斷控制器驅動設計說明

一、實現虛擬中斷控制器的可行性說明

在進行虛擬中斷控制器的設計之前，我們先說明下linux系統中硬體中斷觸發後的處理過程。如下圖所示，當硬體中斷觸發後，各架構的CPU板級代碼經過處理後，大都會調用do_IRQ/generic_handle_irq接口，從而調用具體irq_desc的irq flow handler接口，進行中斷處理函數的調用等工作。基於此，我們可以提供操作接口調用generic_handle_irq，從而模擬硬體中斷觸發，實現中斷處理流程的觸發操作，這是我們實現虛擬中斷控制器的理論基礎。

二、中斷控制器驅動的開發流程

在提供了模擬硬體中斷觸發的機制後，我們再確認下中斷控制器驅動的開發流程，主要分為如下幾個部分：

1. 為該中斷控制器的所有hw irq line，均創建對應的irq_desc(因為我是在ubuntu16.04上開發的虛擬中段控制器驅動，並沒有提供設備樹支持，因此在驅動開發時完成了所有irq_desc的申請，如使用設備樹開發的話，則無須申請所有的irq_desc。當有外設用到其中的一個hw irq line時，則在該設備的設備節點中引用對應的hw irq index及該hw irq index對應controller的設備節點名即可，然後在外設的驅動中調用irq_of_parse_and_map接口即可（而在該接口中若檢測到該hw irq line尚未創建irq_desc，則進行irq_desc的創建，同時在該hw irq所屬的irq domain中，完成hw irq index與logic irq index的映射）。設備樹這種方式確實很好，僅在hw irq被使用時方進行irq_desc的創建及註冊操作)；
2. 為該irq controller 提供操作接口，即完成struct irq_chip類型變量的定義及賦值，主要包括中斷的使能控制、中斷觸發方式的設置等等；
3. 為該中斷控制器創建irq domain，以便存儲該irq controller的hw irq line與logic irq index的映射關係，並完成該irq_desc與irq_chip、irq flow handler的map操作操作等。

三、虛擬中斷控制器驅動設計說明

有了以上的基礎後，我們即可以進行虛擬中斷控制器驅動的開發，以便了解中斷控制器驅動的開發流程。

虛擬中斷控制器型號介紹與說明

本次我們開發的虛擬中斷控制器包含兩個型號virt0808、virt0813，這兩個中斷控制器均提供16個hw irq line。然後這兩個中斷控制器級聯在一起（virt0813連接至virt0808的第16個中斷號，virt0808作為root controller），連接方式如下圖所示。

這兩個中斷控制器均提供如下幾個寄存器：

1. 中斷狀態寄存器（status reg）；
2. 中斷使能寄存器（mask reg）；
3. 中斷電平觸發控制寄存器（level reg）；
4. 中斷邊沿觸發控制寄存器（edeg reg）

以上即為虛擬中斷控制器的主要內容，下面為這兩個中斷控制器進行驅動開發。

虛擬中斷控制器驅動開發設計

針對虛擬中斷控制器驅動，主要包括如下幾步部分內容：

1. 提供virt0808虛擬中斷控制器驅動，並在sysfs目錄下創建屬性文件irq_trigger，供應用程式模擬觸發硬體中斷；
2. 提供外設驅動，申請中斷，作為對虛擬中斷的驗證。

相關的數據結構

針對virt0808，定義數據結構virt_irq_provider，主要的成員包括：

1. 存儲應用程式設置的模擬觸發中斷的hw irq line index（irq_trigger_value）；
2. 定義struct irq_work類型的變量work，主要用於觸發irq中斷使用；
3. 該irq控制器的logic irq base id，及hw irq line的個數；
4. 該irq controller的寄存器；
5. 該irq controller對應的irq_chip、irq_domain；
6. 該irq controller driver所對應的platform device。

針對模擬硬體中斷觸發，我們主要藉助irq work實現。主要的調用流程如下圖所示

1. 當應用程式通過向irq_trigger寫入需要模擬觸發的hw irq line後，則會調用virt0808 driver定義的函數virt0808_irq_store，在該函數中調用irq_work_queue，將該irq work加入irq work queue中，並觸發irq work interrupt；
2. 而在irq work interrupt的處理函數中調用irq_work_run，處理virt0808 driver定義的處理函數，即virt0808_hwirq_trigger;
3. 在virt0808_hwirq_trigger接口中則調用generic_handle_irq接口中，則調用該irq controller對應hw irq line的irq_desc進行中斷的處理操作

而針對virt0813而言，其數據結構定義如下，該數據結構的定義與virt_irq_provider的定義類似。

Virt0808 driver

• Virt0808對應irq chip的定義，主要是完成virt0808的操作接口，定義如下

• 定義irq domain操作接口

在進行irq domain的map接口中完成irq desc與irq chip、irq flow handler的綁定操作

• Irq domain、irq desc的創建操作

在probe接口中通過調用如下接口完成irq domain、irq desc的創建操作

以上就是virt0808的驅動程序，完成以上功能後，就完成針對virt0808 irq controller的驅動操作。

Virt0813 driver

該設備驅動與virt0808 driver的驅動類似，唯一區別的是，因為virt0813是掛載在virt0808上的，因此當virt0813上中斷發生時，cpu首先得到的是virt0808對應引腳中斷，然後在virt0808的chain hw irq line的中斷處理函數中，通過讀取virt0813的中斷狀態寄存器，確認virt0813上是哪一個hw irq line發生中斷，再調用generic_handle_irq接口去處理該中斷。處理過程如下圖所示：

virt0813_sub_irq_handler的定義如下：

測試驅動

在測試驅動中主要申請兩個irq，一個irq是virt0808 irq controller的hw irq line；一個irq是virt0813 irq controller 的hw irq line，該驅動僅僅是測試用，比較簡單，代碼如下：

測試驗證

在該virt irq的目錄下執行make &&make install，驅動鏡像即在image目錄下。

驅動加載：

insmod virt0808_dev.ko

insmod virt0808_irq.ko

insmod virt0813_irq.ko

insmod irq_consumer_dev.ko

insmod irq_consumer_driver.ko

Virt0808 irq controller中斷觸發驗證

因我們在測試驅動中，申請了virt0808的第7個中斷，因此我們觸發該中斷，看下該中斷對應的中斷處理程序有沒有調用：

cd /sys/devices/platform/virt0808_irq_dev.0/

echo 6 >>irq_trigger

dmesg

如上圖所示，中斷處理函數已經執行。下面我們進行virt0813中斷的測試，我們申請的是virt0813的第一個中斷，執行

命令如下：

cd /sys/devices/platform/virt0813_irq_dev.0

echo 1 >>irq_status

cd /sys/devices/platform/virt0808_irq_dev.0/

echo 15 >>irq_trigger

dmesg

如上圖所示，中斷處理函數也已經執行成功，測試成功。

以上就是本篇文章的主要內容，我們主要實現了virt irq controller driver，熟悉irq controller driver的開發流程，我們實現的驅動中，兩個irq controller通過級聯的方式連接，也比較有代表性。我們學習了irq子系統下irq controller driver的開發後，對我們平常的開發有沒有幫助呢？當我們需要為一個gpio controller開發驅動，且該gpio controller支持中斷時，則可以為該gpio controller創建irq controller driver即可完成該功能（此種功能需求下，可參考virt0813的驅動程序實現該需求）。至此我們完成了irq子系統的學習，針對irq子系統我也就是會開發相應驅動，若要徹底理解中斷子系統，還有很長的路要走…後續如果有可能，會再深入學習（本次虛擬驅動的源碼連結稍後會發出來，或者在gitee上搜索用戶jerry_chg，也可以找到本次的驅動代碼）。