Linux内核驱动——中断子系统与 I2C 子系统-程序员充电站

一、中断子系统

1.1 中断子系统架构

1.2 代码实例分析

1.2.1 tasklet

1.2.2 workqueue

1.3 对比总结

二、I2C 子系统

2.1 I2C 子系统架构

2.2 代码实例分析：LM75 温度传感器驱动

2.2.1 设备树配置

2.2.2 驱动注册与设备绑定

2.2.3 数据传输实现

2.2.4 应用层数据解析

三、总结与应用场景

3.1 核心设计思想

3.2 典型应用组合

3.3 开发关键要点

一、中断子系统

1.1 中断子系统架构

中断是 CPU 响应外部设备请求的一种机制。当某个硬件（如按键）发生事件时，会向 CPU 发送一个中断信号，触发中断服务程序执行。

Linux内核采用 “顶半部 + 底半部” 的设计思想来优化中断处理效率：

顶半部（上半部，Top Half）：快进快出，仅完成 “紧急操作”（如置标志位、保存数据），不能阻塞、不能休眠（运行在中断上下文）。
底半部（下半部，Bottom Half）：处理非紧急、耗时操作（如数据解析、唤醒应用），运行在中断上下文或进程上下文，核心实现有两种：
- tasklet：基于软中断实现，不能阻塞、不能休眠（中断上下文），适合短耗时处理；
- workqueue：封装为普通内核线程（进程上下文），可以休眠、阻塞，适合长耗时操作。

1.2 代码实例分析

1.2.1 tasklet

// 底半部：tasklet（不能休眠） static struct tasklet_struct tsk; static void key_tasklet_handler(unsigned long arg) { condition = 1; wake_up_interruptible(&wq); // 唤醒应用层阻塞 printk("key_tasklet_handler arg = %ld\n", arg); } // 顶半部：中断触发后快速调度底半部 static irqreturn_t key_irq_handler(int irq, void * dev) { int arg = *(int *)dev; if(100 != arg) return IRQ_NONE; // 确认是目标中断 tasklet_schedule(&tsk); // 调度tasklet printk("irq = %d dev = %d\n", irq, arg); return IRQ_HANDLED; } // 初始化 tasklet_init(&tsk, key_tasklet_handler, 100);

关键点分析：

在中断处理函数中，通过 tasklet_schedule 调度 tasklet
tasklet 在软中断上下文中执行，不能睡眠
适合快速处理按键事件，但不适合执行耗时操作

1.2.2 workqueue

// 底半部：workqueue（可以休眠） static struct work_struct work; static void key_work_func(struct work_struct *work) { ssleep(1); // 休眠1秒 condition = 1; wake_up_interruptible(&wq); printk("key_work_func ...\n"); } // 顶半部：中断触发后快速调度底半部 static irqreturn_t key_irq_handler(int irq, void * dev) { int arg = *(int *)dev; if(100 != arg) return IRQ_NONE; // 确认是目标中断 schedule_work(&work); // 调度workqueue printk("irq = %d dev = %d\n", irq, arg); return IRQ_HANDLED; } // 初始化 INIT_WORK(&work, key_work_func);

关键点分析：

在中断处理函数中，通过 schedule_work 调度 work
work 在普通线程上下文中执行，可以调用 ssleep 等可能睡眠的函数
适合执行可能耗时的操作，如 I/O 操作、复杂计算等操作

1.3 对比总结

特性	tasklet	workqueue
是否可阻塞	否	是
是否可休眠	否	是
是否可被调度	否	是
运行上下文	中断上下文	进程上下文
并发控制	同类型 tasklet 串行执行	可配置并发策略
适用场景	紧急任务	非紧急任务

二、I2C 子系统

2.1 I2C 子系统架构

Linux I2C 子系统采用分层设计，使驱动开发更加模块化和可重用。I2C子系统分为多个层次：

硬件层：物理 I2C 控制器和设备
I2C总线驱动层（I2C Adapter）：实现 I2C 总线通信协议，与硬件交互
I2C核心层（I2C Core）：提供 I2C 总线通信的公共接口和数据结构
I2C设备驱动层（I2C Client）：针对特定 I2C 设备的驱动程序
应用层：用户空间应用程序

2.2 代码实例分析：LM75 温度传感器驱动

2.2.1 设备树配置

在设备树中正确配置 I2C 设备节点：

lm75@48 { compatible = "ti,lm75"; reg = <0x48>; };

2.2.2 驱动注册与设备绑定

I2C 设备驱动通过 i2c_add_driver() 注册，核心是 of_device_id 匹配设备树中的 compatible 属性：

// 探测函数 static int probe(struct i2c_client * client, const struct i2c_device_id * device) { int ret = misc_register(&misc_dev); if(ret < 0) goto err_misc_register; lm75_client = client; printk("lm75 probe\n"); return 0; err_misc_register: printk("lm75 probe misc_register failed\n"); return ret; } // 设备树匹配表（与dts中lm75节点的compatible一致） static const struct of_device_id of_lm75_table[] = { {.compatible = "ti,lm75"}, {} }; // I2C驱动结构体 static struct i2c_driver lm75_driver = { .probe = probe, // 设备匹配成功后执行 .remove = remove, .driver = {.name = DEV_NAME, .of_match_table = of_lm75_table}, .id_table = lm75_table };

probe() 函数的核心工作：注册 misc 设备（提供 /dev/lm75 节点），保存 i2c_client 指针（用于后续通信）。

2.2.3 数据传输实现

I2C 设备驱动通过 i2c_msg 结构体描述通信数据，调用 master_xfer() 完成底层传输：

static ssize_t read(struct file * file, char __user * buf, size_t size, loff_t * loff) { int ret = 0; unsigned char temp[2] = {0}; // 构造I2C读取消息：从lm75地址读取2字节数据 struct i2c_msg msg = { .addr = lm75_client->addr, // 设备从机地址 .flags = I2C_M_RD, // 读操作 .len = 2, // 数据长度 .buf = temp // 数据缓冲区 }; // 调用Adapter的master_xfer执行传输 lm75_client->adapter->algo->master_xfer(lm75_client->adapter, &msg, 1); ret = copy_to_user(buf, temp, sizeof(temp)); // 数据传递给应用层 return sizeof(temp); }

2.2.4 应用层数据解析

应用层通过访问 /dev/lm75 读取原始数据，按 LM75 的寄存器格式解析为温度值：

#include <linux/i2c-dev.h> int main(int argc, const char *argv[]) { int fd = open("/dev/lm75", O_RDWR); if (fd < 0) { perror("open iic failed"); return 1; } unsigned char temp[2] = {0}; while(1) { int ret = read(fd, temp, sizeof(temp)); float t = 0.5 * ((temp[0] << 8 | temp[1]) >> 7); printf("t = %.1f\n", t); sleep(1); } close(fd); return 0; }

工作流程：