執行個體二——從RTC裝置學習中斷（系統即時鐘）

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•       RTC中斷服務程式

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每台PC機都有一個即時鐘（Real Time Clock）裝置。在你關閉電腦電源的時候，由它維持系統的日期和時間資訊。

此外，它還可以用來產生周期訊號，頻率變化範圍從2Hz到8192Hz——當然，頻率必須是2的倍數。這樣該裝置就能被當作一個定時器使用，比如我們把頻率設定為4Hz，那麼裝置啟動後，系統即時鐘每秒就會向CPU發送4次定時訊號——通過8號中斷提交給系統（標準PC機的IRQ 8是如此設定的）。由於系統即時鐘是可程式化控制的，你也可以把它設成一個警報器，在某個特定的時刻拉響警報——向系統發送IRQ 8中斷訊號。由此看來，IRQ 8與生活中的鬧鈴差不多：中斷訊號代表著通報器或定時器的發作。

在Linux作業系統的實現裡，上述中斷訊號可以通過/dev/rtc（主裝置號10，從裝置號135，唯讀字元裝置）裝置獲得。對該裝置執行讀（read）操作，會得到unsigned long型的傳回值，最低的一個位元組表明中斷的類型（更新完畢update-done，定時到達alarm-rang，周期訊號periodic）；其餘位元組包含上次讀操作以來中斷到來的次數。如果系統支援/proc檔案系統，/proc/driver/rtc中也能反映相同的狀態資訊。

該裝置只能由每個進程獨佔，也就是說，在一個進程開啟(open)裝置後，在它沒有釋放前，不允許其它進程再開啟它。這樣，使用者的程式就可以通過對/dev/rtc執行read()或select()系統調用來監控這個中斷——使用者進程會被阻塞，直到系統接收到下一個中斷訊號。對於一些高速資料擷取程式來說，這個功能非常有用，程式無需死守著反覆查詢，耗盡所有的CPU資源；只要做好設定，以一定頻率進行查詢就可以了。

#include <stdio.h>

#include <linux/rtc.h>

#include <sys/ioctl.h>

#include <sys/time.h>

#include <sys/types.h>

#include <fcntl.h>

#include <unistd.h>

#include <errno.h>

int main(void)

{

int i, fd, retval, irqcount = 0;

unsigned long tmp, data;

struct rtc_time rtc_tm;

// 開啟RTC裝置

fd = open ("/dev/rtc", O_RDONLY);

if (fd ==  -1) {

perror("/dev/rtc");

exit(errno);

}

fprintf(stderr, "\n\t\t\tEnjoy TV while boiling water.\n\n");

// 首先是一個通報器的例子，設定10分鐘後"響鈴"   

// 擷取RTC中儲存的當前日期時間資訊

/* Read the RTC time/date */

retval = ioctl(fd, RTC_RD_TIME, &rtc_tm);

if (retval == -1) {

perror("ioctl");

exit(errno);

}

fprintf(stderr, "\n\nCurrent RTC date/time is %d-%d-%d,%02d:

%02d:%02d.\n",   

    rtc_tm.tm_mday, rtc_tm.tm_mon + 1, rtc_tm.tm_year + 1900,

  rtc_tm.tm_hour, rtc_tm.tm_min, rtc_tm.tm_sec);

// 設定時間的時候要避免溢出

rtc_tm.tm_min += 10;

if (rtc_tm.tm_sec >= 60) {

rtc_tm.tm_sec %= 60;

rtc_tm.tm_min++;

}

if  (rtc_tm.tm_min == 60) {

rtc_tm.tm_min = 0;

rtc_tm.tm_hour++;

}

if  (rtc_tm.tm_hour == 24)

rtc_tm.tm_hour = 0;

// 實際的設定工作

retval = ioctl(fd, RTC_ALM_SET, &rtc_tm);

if (retval == -1) {

perror("ioctl");

exit(errno);

}

// 檢查一下，看看是否設定成功

/* Read the current alarm settings */

retval = ioctl(fd, RTC_ALM_READ, &rtc_tm);

if (retval == -1) {

perror("ioctl");

exit(errno);

}

fprintf(stderr, "Alarm time now set to %02d:%02d:%02d.\n",

  rtc_tm.tm_hour, rtc_tm.tm_min, rtc_tm.tm_sec);

// 光設定還不成，還要啟用alarm類型的中斷才行

/* Enable alarm interrupts */

retval = ioctl(fd, RTC_AIE_ON, 0);

if (retval == -1) {

perror("ioctl");

exit(errno);

}

// 現在程式可以耐心的休眠了，10分鐘後中斷到來的時候它就會被喚醒

/* This blocks until the alarm ring causes an interrupt */

retval = read(fd, &data, sizeof(unsigned long));

if (retval == -1) {

perror("read");

exit(errno);

}

irqcount++;

fprintf(stderr, " okay. Alarm rang.\n");

}

這個例子稍微顯得有點複雜，用到了open、ioctl、read等諸多系統調用，初看起來讓人眼花繚亂。其實如果簡化一下的話，過程還是“燒開水”：設定定時器、等待定時器逾時、執行相應的操作（“關瓦斯灶”）。

讀者可能不理解的是：這個例子完全沒有表現出中斷帶來的好處啊，在等待10分鐘的逾時過程中，程式依然什麼都不能做，只能休眠啊？

讀者需要注意自己的視角，我們所說的中斷能夠提升並發處理能力，提升的是CPU的並發處理能力。在這裡，上面的程式可以被看作是燒開水，在燒開水前，鬧鈴已經被上好，10分鐘後CPU會被中斷（鬧鈴聲）驚動，過來執行後續的關瓦斯工作。也就是說，CPU才是這裡唯一具有處理能力的主體，我們在程式中主動利用中斷機制來節省CPU的耗費，提高CPU的並發處理能力。這有什麼好處呢？試想如果我們還需要CPU烤麵包，CPU就有能力完成相應的工作，其它的工作也一樣。這其實是在多任務作業系統環境下程式生存的道德基礎——“我為人人，人人為我”。

好了，這段程式其實是我們進入Linux中斷機制的引子，現在我們就進入Linux中斷世界。

更詳細的內容和其它一些注意事項請參考核心原始碼包中Documentations/rtc.txt

 

   

      RTC中斷服務程式

RTC中斷服務程式包含在核心原始碼樹根目錄下的driver/char/rtc.c檔案中，該檔案正是RTC裝置的驅動程式——我們曾經提到過，中斷服務程式一般由裝置驅動程式提供，實現裝置中斷特有的操作。

SagaLinux中註冊中斷的步驟在Linux中同樣不能少，實際上，兩者的原理區別不大，只是Linux由於要解決大量的實際問題（比如SMP的支援、中斷的共用等）而採用了更複雜的實現方法。

RTC驅動程式裝載時，rtc_init()函數會被調用，對這個驅動程式進行初始化。該函數的一個重要職責就是註冊中斷處理常式：

if (request_irq(RTC_IRQ,rtc_interrupt,SA_INTERRUPT,”rtc”,NULL)){

   printk(KERN_ERR “rtc:cannot register IRQ %d\n”,rtc_irq);

return –EIO;

}

這個request_irq函數顯然要比SagaLinux中同名函數複雜很多，光看看參數的個數就知道了。不過頭兩個參數兩者卻沒有區別，依稀可以推斷出：它們的主要功能都是完成中斷號與中斷服務程式的綁定。

關於Linux提供給系統程式員的、與中斷相關的函數，很多書籍都給出了詳細描述，如“Linux Kernel Development”。我這裡就不做重複勞動了，現在集中注意力在中斷服務程式本身上。

static
irqreturn_t
rtc_interrupt(int
irq, void *dev_id,

struct
pt_regs *regs)

{

/*

*     Can be an alarm interrupt, update complete interrupt,

*     or a periodic interrupt. We store the status in the

*     low byte and the number of interrupts received since

*     the last read in the remainder of rtc_irq_data.

*/

spin_lock (&rtc_lock);

rtc_irq_data += 0x100;

rtc_irq_data &= ~0xff;

rtc_irq_data |= (CMOS_READ(RTC_INTR_FLAGS)
& 0xF0);

if (rtc_status &RTC_TIMER_ON)

mod_timer(&rtc_irq_timer,

jiffies +HZ/rtc_fre

q

+ 2*HZ/100);

spin_unlock (&rtc_lock);

/* Now do the rest of the actions */

spin_lock(&rtc_task_lock);

if (rtc_callback)

rtc_callback->func(rtc_callback->private_data);

spin_unlock(&rtc_task_lock);

wake_up_interruptible(&rtc_wait);      

kill_fasync (&rtc_async_queue, SIGIO, POLL_IN);

return IRQ_HANDLED;

}

這裡先提醒讀者注意一個細節：中斷服務程式是static類型的，也就是說，該函數是本地函數，只能在rtc.c檔案中調用。這怎麼可能呢？根據我們從SagaLinux中得出的經驗，中斷到來的時候，作業系統的中斷核心代碼一定會調用此函數的，否則該函數還有什麼意義？實際上，request_irq函數會把指向該函數的指標註冊到相應的尋找表格中（還記得SagaLinux中的irq_handler[]嗎？）。static只能保證rtc.c檔案以外的代碼不能通過函數名字顯式的調用函數，而對於指標，它就無法畫地為牢了。

程式用到了spin_lock函數，它是Linux提供的自旋鎖相關函數，關於自旋鎖的詳細情況，我們會在以後的文章中詳細介紹。你先記住，自旋鎖是用來防止SMP結構中的其他CPU並發訪問資料的，在這裡被保護的資料就是rtc_irq_data。rtc_irq_data存放有關RTC的資訊，每次中斷時都會更新以反映中斷的狀態。

接下來，如果設定了RTC周期性定時器，就要通過函數mod_timer()對其更新。定時器是Linux作業系統中非常重要的概念，我們會在以後的文章中詳加解釋。

代碼的最後一部分要通過設定自旋鎖進行保護，它會執行一個可能被預先設定好的回呼函數。RTC驅動程式允許註冊一個回呼函數，並在每個RTC中斷到來時執行。

wake_up_interruptible是個非常重要的調用，在它執行後，系統會喚醒睡眠的進程，它們等待的RTC中斷到來了。這部分內容涉及等待隊列，我們也會在以後的文章中詳加解釋。

感受RTC——最簡單的改動

我們來更進一步感受中斷，非常簡單，我們要在RTC的中斷服務程式中加入一條printk語句，列印什麼呢？“I’m
coming, interrupt!”。

下面，我們把它加進去：

……

spin_unlock(&rtc_task_lock);

printk(“I’m coming , interrupt!\n”);

wake_up_interruptible(&rtc_wait);    

……

沒錯，就先做這些，請你找到代碼樹的drivers\char\rtc.c檔案，在其中irqreturn_t rtc_interrupt函數中加入這條printk語句。然後重新編譯核心模組（當然，你要在配置核心編譯選項時包含RTC，並且以模組形式）現在，當我們插入編譯好的rtc.o模組，執行前面即時鐘部分介紹的使用者空間程式，你就會看到螢幕上列印的“I’m
coming , interrupt!”資訊了。

這是一次實實在在的中斷服務過程，如果我們通過ioctl改變RTC裝置的運行方式，設定周期性到來的中斷的話，假設我們將頻率定位8HZ，你就會發現螢幕上每秒列印8次該資訊。

動手修改RTC實際上是對中斷理解最直觀的一種辦法，我建議你不但注意中斷服務程式，還可以看一下RTC驅動中ioctl的實現，這樣你會更加瞭解外部裝置和驅動程式、中斷服務程式之間實際的互動情況。

不僅如此，通過修改RTC驅動程式，我完成了不少稀奇古怪的工作，比如說，在高速資料擷取過程中，我就是利用高頻率的RTC中斷檢查高速AD採樣板硬體緩衝區使用方式，配合DMA共同完成資料擷取工作的。當然，在有非常嚴格時限要求的情況下，這樣不一定適用。但是，在兩塊12位20兆採樣率的AD卡交替工作，對每秒1KHz的雷達視頻資料連續採樣的情況下，我的RTC跑得相當好。

當然，這可能不是一種美觀和標準的做法，但是，我只是一名程式員而不是藝術家，只是瞭解了這麼一點點中斷知識，我就完成了工作，我想或許您也希望從系統底層的秘密中獲得收益吧，讓我們在以後的文章中再見。

[1]那麼PowerOff（關機）算不算中斷呢？如果從字面上講，肯定符合漢語對中斷的定義，但是從訊號格式、處理方法等方面來看，就很難符合我們的理解了。Intel怎麼說的呢？該中斷沒有採用通用的中斷處理機制。那麼到底是不時中斷呢？我也說不上來：（

[2]之所以這裡使用彙編而不是C來實現這些函數，是因為C編譯器會在函數的實現中推入額外的棧資訊。而CPU在中斷來臨時儲存和恢複現場都按照嚴格的格式進行，一個位元組的變化都不能有。