作 者：道哥，10+年嵌入式开发老兵，专注于：C/C++、嵌入式、Linux。
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别人的经验，我们的阶梯！
大家好，我是道哥，今天我为大伙儿解说的技术知识点是：【中断程序如何发送信号给应用层】。
最近分享的几篇文章都比较基础，关于字符类设备的驱动程序，以及中断处理程序。
也许在现代的项目是用不到这样的技术，但是万丈高楼平地起。
只有明白了这些最基础的知识点之后，再去看那些进化出来的高级玩意，才会有一步一个脚印的获得感。
如果缺少了这些基础的环节，很多深层次的东西，学起来就有点空中楼阁的感觉。
就好比研究Linux内核，如果一上来就从Linux 4.x/5.x内核版本开始研究，可以看到很多“历史遗留”代码。
这些代码就见证着Linux一步一步的发展历史，甚至有些人还会专门去研究 Linux 0.11 版本的内核源码，因为很多基本思想都是一样的。
今天这篇文章，主要还是以代码实例为主，把之前的两个知识点结合起来：
在中断处理函数中，发送信号给应用层，以此来通知应用层处理响应的中断业务。
驱动程序
示例代码全貌
所有的操作都是在 ~/tmp/linux-4.15/drivers 目录下完成的。
首先创建驱动模块目录：
$ cd ~/tmp/linux-4.15/drivers
$ mkdir my_driver_interrupt_signal
$ touch my_driver_interrupt_signal.c
文件内容如下：
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/ctype.h>
#include <linux/device.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <asm/siginfo.h>
#include <linux/pid.h>
#include <linux/uaccess.h>
#include <linux/sched/signal.h>
#include <linux/pid_namespace.h>
#include <linux/interrupt.h>
// 中断号
#define IRQ_NUM 1
// 定义驱动程序的 ID，在中断处理函数中用来判断是否需要处理
#define IRQ_DRIVER_ID 1234
// 设备名称
#define MYDEV_NAME "mydev"
// 驱动程序数据结构
struct myirq
{
int devid;
};
struct myirq mydev ={ IRQ_DRIVER_ID };
#define KBD_DATA_REG 0x60
#define KBD_STATUS_REG 0x64
#define KBD_SCANCODE_MASK 0x7f
#define KBD_STATUS_MASK 0x80
// 设备类
static struct class *my_class;
// 用来保存设备
struct cdev my_cdev;
// 用来保存设备号
int mydev_major = 0;
int mydev_minor = 0;
// 用来保存向谁发送信号，应用程序通过 ioctl 把自己的进程 ID 设置进来。
static int g_pid = 0;
// 用来发送信号给应用程序
static void send_signal(int sig_no)
{
int ret;
struct siginfo info;
struct task_struct *my_task = NULL;
if (0 == g_pid)
{
// 说明应用程序没有设置自己的 PID
printk("pid[%d] is not valid! \n", g_pid);
return;
}
printk("send signal %d to pid %d \n", sig_no, g_pid);
// 构造信号结构体
memset(&info, 0, sizeof(struct siginfo));
info.si_signo = sig_no;
info.si_errno = 100;
info.si_code = 200;
// 获取自己的任务信息，使用的是 RCU 锁
rcu_read_lock();
my_task = pid_task(find_vpid(g_pid), PIDTYPE_PID);
rcu_read_unlock();
if (my_task == NULL)
{
printk("get pid_task failed! \n");
return;
}
// 发送信号
ret = send_sig_info(sig_no, &info, my_task);
if (ret < 0)
{
printk("send signal failed! \n");
}
}
//中断处理函数
static irqreturn_t myirq_handler(int irq, void * dev)
{
struct myirq mydev;
unsigned char key_code;
mydev = *(struct myirq*)dev;
// 检查设备 id，只有当相等的时候才需要处理
if (IRQ_DRIVER_ID == mydev.devid)
{
// 读取键盘扫描码
key_code = inb(KBD_DATA_REG);
if (key_code == 0x01)
{
printk("EXC key is pressed! \n");
send_signal(SIGUSR1);
}
}
return IRQ_HANDLED;
}
// 驱动模块初始化函数
static void myirq_init(void)
{
printk("myirq_init is called. \n");
// 注册中断处理函数
if(request_irq(IRQ_NUM, myirq_handler, IRQF_SHARED, MYDEV_NAME, &mydev)!=0)
{
printk("register irq[%d] handler failed. \n", IRQ_NUM);
return -1;
}
printk("register irq[%d] handler success. \n", IRQ_NUM);
}
// 当应用程序打开设备的时候被调用
static int mydev_open(struct inode *inode, struct file *file)
{
printk("mydev_open is called. \n");
return 0;
}
static long mydev_ioctl(struct file* file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
void __user *pArg;
printk("mydev_ioctl is called. cmd = %d \n", cmd);
if (100 == cmd)
{
// 说明应用程序设置进程的 PID
pArg = (void *)arg;
if (!access_ok(VERIFY_READ, pArg, sizeof(int)))
{
printk("access failed! \n");
return -EACCES;
}
// 把用户空间的数据复制到内核空间
if (copy_from_user(&g_pid, pArg, sizeof(int)))
{
printk("copy_from_user failed! \n");
return -EFAULT;
}
}
return 0;
}
static const struct file_operations mydev_ops={
.owner = THIS_MODULE,
.open = mydev_open,
.unlocked_ioctl = mydev_ioctl
};
static int __init mydev_driver_init(void)
{
int devno;
dev_t num_dev;
printk("mydev_driver_init is called. \n");
// 注册中断处理函数
if(request_irq(IRQ_NUM, myirq_handler, IRQF_SHARED, MYDEV_NAME, &mydev)!=0)
{
printk("register irq[%d] handler failed. \n", IRQ_NUM);
return -1;
}
// 动态申请设备号(严谨点的话，应该检查函数返回值)
alloc_chrdev_region(&num_dev, mydev_minor, 1, MYDEV_NAME);
// 获取主设备号
mydev_major = MAJOR(num_dev);
printk("mydev_major = %d. \n", mydev_major);
// 创建设备类
my_class = class_create(THIS_MODULE, MYDEV_NAME);
// 创建设备节点
devno = MKDEV(mydev_major, mydev_minor);
// 初始化cdev结构
cdev_init(&my_cdev, &mydev_ops);
// 注册字符设备
cdev_add(&my_cdev, devno, 1);
// 创建设备节点
device_create(my_class, NULL, devno, NULL, MYDEV_NAME);
return 0;
}
static void __exit mydev_driver_exit(void)
{
printk("mydev_driver_exit is called. \n");
// 删除设备节点
cdev_del(&my_cdev);
device_destroy(my_class, MKDEV(mydev_major, mydev_minor));
// 释放设备类
class_destroy(my_class);
// 注销设备号
unregister_chrdev_region(MKDEV(mydev_major, mydev_minor), 1);
// 注销中断处理函数
free_irq(IRQ_NUM, &mydev);
}
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(mydev_driver_init);
module_exit(mydev_driver_exit);
以上代码主要做了两件事情：
注册中断号 1 的处理函数：myirq_handler();
创建设备节点 /dev/mydev;
这里的中断号1，是键盘中断。
因为它是共享的中断，因此当键盘被按下的时候，操作系统就会依次调用所有的中断处理函数，当然就包括我们的驱动程序所注册的这个函数。
中断处理部分相关的几处关键代码如下：
//中断处理函数
static irqreturn_t myirq_handler(int irq, void * dev)
{
...
}
// 驱动模块初始化函数
static void myirq_init(void)
{
...
request_irq(IRQ_NUM, myirq_handler, IRQF_SHARED, MYDEV_NAME, &mydev);
...
}
在中断处理函数中，目标是发送信号 SIGUSR1 到应用层，因此驱动程序需要知道应用程序的进程号(PID)。
根据之前的文章Linux驱动实践：驱动程序如何发送【信号】给应用程序？，应用程序必须主动把自己的 PID 告诉驱动模块才可以。这可以通过 write 或者ioctl函数来实现，
驱动程序用来接收 PID 的相关代码是：
static long mydev_ioctl(struct file* file, unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
...
if (100 == cmd)
{
pArg = (void *)arg;
...
copy_from_user(&g_pid, pArg, sizeof(int));
}
}
知道了应用程序的 PID，驱动程序就可以在中断发生的时候(按下键盘ESC键)，发送信号出去了：
static void send_signal(int sig_no)
{
struct siginfo info;
...
send_sig_info(...);
}
static irqreturn_t myirq_handler(int irq, void * dev)
{
...
send_signal(SIGUSR1);
}
Makefile 文件
ifneq ($(KERNELRELEASE),)
obj-m := my_driver_interrupt_signal.o
else
KERNELDIR ?= /lib/modules/$(shell uname -r)/build
PWD := $(shell pwd)
default:
$(MAKE) -C $(KERNELDIR) M=$(PWD) modules
clean:
rm -rf *.o *.ko *.mod.* modules.* Module.*
$(MAKE) -C $(KERNEL_PATH) M=$(PWD) clean
endif
编译、测试
首先查看一下加载驱动模块之前，1号中断的所有驱动程序：
再看一下设备号：
$ cat /proc/devices
因为驱动注册在创建设备节点的时候，是动态请求系统分配的。
根据之前的几篇文章可以知道，系统一般会分配244这个主设备号给我们，此刻还不存在这个设备号。
编译、加载驱动模块：
$ make
$ sudo insmod my_driver_interrupt_signal.ko
首先看一下 dmesg 的输出信息：
然后看一下中断驱动程序：
可以看到我们的驱动程序( mydev )已经登记在1号中断的最右面。
最后看一下设备节点情况：
驱动模块已经准备妥当，下面就是应用程序了。
应用程序
应用程序的主要功能就是两部分：
通过 ioctl 函数把自己的 PID 告诉驱动程序;
注册信号 SIGUSR1 的处理函数;
示例代码全貌
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <assert.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/ioctl.h>
#include <signal.h>
char *dev_name = "/dev/mydev";
// 信号处理函数
static void signal_handler(int signum, siginfo_t *info, void *context)
{
// 打印接收到的信号值
printf("signal_handler: signum = %d \n", signum);
printf("signo = %d, code = %d, errno = %d \n",
info->si_signo,
info->si_code,
info->si_errno);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
int fd, count = 0;
int pid = getpid();
// 打开GPIO
if((fd = open(dev_name, O_RDWR | O_NDELAY)) < 0){
printf("open dev failed! \n");
return -1;
}
printf("open dev success! \n");
// 注册信号处理函数
struct sigaction sa;
sigemptyset(&sa.sa_mask);
sa.sa_sigaction = &signal_handler;
sa.sa_flags = SA_SIGINFO;
sigaction(SIGUSR1, &sa, NULL);
// set PID
printf("call ioctl. pid = %d \n", pid);
ioctl(fd, 100, &pid);
// 死循环，等待接收信号
while (1)
sleep(1);
// 关闭设备
close(fd);
}
在应用程序的最后，是一个 while(1) 死循环。因为只有在按下键盘上的ESC按键时，驱动程序才会发送信号上来，因此应用程序需要一直存活着。
编译、测试
新开一个中断窗口，编译、执行应用程序：
$ gcc my_interrupt_singal.c -o my_interrupt_singal
$ sudo ./my_interrupt_singal
open dev success!
call ioctl. pid = 12907
// 这里进入 while 循环
由于应用程序调用了 open 和 ioctl 这两个函数，因此，驱动程序中两个对应的函数就会被执行。
这可以通过 dmesg 命令的输出信息看出来：
这个时候，按下键盘上的 ESC 键，此时驱动程序中打印如下信息：
说明：驱动程序捕获到了键盘上的 ESC 键，并且发送信号给应用程序了。
在执行应用程序的终端窗口中，可以看到如下输出信息：
说明：应用程序接收到了驱动程序发来的信号！
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