Linux中断子系统（一）中断控制器GIC架构

淡淡的烟草味﹌ 2022-09-11 04:27 283阅读 0赞

# Linux中断子系统（一）中断控制器GIC架构 #

备注：  
  1. Kernel版本：5.4  
  2. 使用工具：Source Insight 4.0  
  3. 参考博客：  
[Linux中断子系统（一）中断控制器及驱动分析][Linux]  
[吐血整理|肝翻Linux中断所有知识点][Linux 1]  
[linux kernel的中断子系统之（七）：GIC代码分析][linux kernel_GIC]

### 文章目录 ###

*  Linux中断子系统（一）中断控制器GIC架构
 *   *  中断控制器GIC
     *  gicv2架构
     *  gic中断分发器(Distributor)
     *  gic中断接口(cpu interface)
     *  gic中断类别
     *  gicv2中断寄存器
     *  gic中断处理流程
     *  gic中断优先级

## 中断控制器GIC ##

GIC，Generic Interrupt Controller。是ARM公司提供的一个通用的中断控制器。主要作用为：接受硬件中断信号，并经过一定处理后，分发给对应的CPU进行处理。  
  当前GIC 有四个版本，GIC v1~v4, V2最多支持8个ARM core，V3/V4支持更多的ARM core，主要用于ARM64系统结构，本文主要介绍GIC v2控制器。

## gicv2架构 ##

GIC-400通过AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）片上总线连接到一个或者多个ARM处理器上。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA5qWT5r2H5r2H_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16_pic_center]

GIC 是联系外设中断和 CPU 的桥梁，也是各 CPU 之间中断互联的通道（也带有管理功能），它负责检测、管理、分发中断，可以做到：

*  1、使能或禁止中断；
 *  2、把中断分组到Group0还是Group1（Group0作为安全模式使用连接FIQ ，Group1 作为非安全模式使用，连接IRQ ）；
 *  3、多核系统中将中断分配到不同处理器上；
 *  4、设置电平触发还是边沿触发方式（不等于外设的触发方式）；
 *  5、虚拟化扩展。

ARM CPU 对外的连接只有2 个中断： IRQ和FIQ ，相对应的处理模式分别是一般中断（IRQ ）处理模式和快速中断（FIQ ）处理模式。所以GIC 最后要把中断汇集成2 条线，与CPU 对接。  
![请添加图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA5qWT5r2H5r2H_size_19_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]

在gicv2中，gic由两个大模块distributor和interface组成：

*  distributor：主要负责中断源的管理、优先级、中断使能、中断屏蔽等，如下：  
      中断分发，对于PPI,SGI是各个core独有的中断，不参与目的core的仲裁，SPI，是所有core共享的，根据配置决定中断发往的core。  
      中断优先级的处理，将最高优先级中断发送给cpu interface。  
      **寄存器使用 GICD\_ 作为前缀。一个gic中，只有一个GICD。**

*  cpu interface：要用于连接处理器，与处理器进行交互。将GICD发送的中断信息，通过IRQ,FIQ管脚，传输给core。  
      **寄存器使用 GICC\_ 作为前缀。每一个core，有一个cpu interface。**

*  virtual cpu interface：将GICD发送的虚拟中断信息，通过VIRQ，VFIQ管脚，传输给core。每一个core，有一个virtual cpu interface。而在这virtual cpu interface中，又包含以下两个组件：  
      virtual interface control：寄存器使用 GICH\_ 作为前缀  
      virtual cpu interface：寄存器使用 GICV\_ 作为前缀

图中的virtual interface，是用于支持虚拟中断，本系列不讨论虚拟中断。

寄存器，分为以下：

*  GICD\_\*: distributor的寄存器
 *  GICH\_\*: 虚拟interface的控制寄存器
 *  GICV\_\*：虚拟interface的控制寄存器
 *  GICC\_\*: 虚拟cpu interface的寄存器

## gic中断分发器(Distributor) ##

分发器的主要的作用是检测各个中断源的状态，控制各个中断源的行为，分发各个中断源产生的中断事件到指定的一个或者多个CPU接口上。虽然分发器可以管理多个中断源，但是它总是把优先级最高的那个中断请求送往CPU接口。分发器对中断的控制包括：

*  打开或关闭每个中断。Distributor对中断的控制分成两个级别。一个是全局中断的控制（GIC\_DIST\_CTRL）。一旦关闭了全局的中断，那么任何的中断源产生的中断事件都不会被传递到 CPU interface。另外一个级别是对针对各个中断源进行控制（GIC\_DIST\_ENABLE\_CLEAR），关闭某一个中断源会导致该中断事件不会分发到 CPU interface，但不影响其他中断源产生中断事件的分发。
 *  控制将当前优先级最高的中断事件分发到一个或者一组 CPU interface。当一个中断事件分发到多个 CPU interface 的时候，GIC 的内部逻辑应该保证只 assert 一个CPU。
 *  优先级控制。
 *  interrupt属性设定。设置每个外设中断的触发方式：电平触发、边缘触发。
 *  interrupt group的设定。设置每个中断的 Group，其中 Group0 用于安全中断，支持 FIQ 和 IRQ，Group1 用于非安全中断，只支持 IRQ。
 *  将SGI中断分发到目标CPU上。
 *  每个中断的状态可见。
 *  提供软件机制来设置和清除外设中断的pending状态。

## gic中断接口(cpu interface) ##

CPU接口主要用于和CPU进行接口。主要功能包括：

*  打开或关闭 CPU interface 向连接的 CPU assert 中断事件。对于 ARM，CPU interface 和 CPU 之间的中断信号线是 nIRQCPU 和 nFIQCPU。如果关闭了中断，即便是 Distributor 分发了一个中断事件到 CPU interface，也不会 assert 指定的 nIRQ 或者 nFIQ 通知 Core。
 *  中断的确认。Core 会向 CPU interface 应答中断（应答当前优先级最高的那个中断），中断一旦被应答，Distributor 就会把该中断的状态从 pending 修改成 active 或者 pending and active（这是和该中断源的信号有关，例如如果是电平中断并且保持了该 asserted 电平，那么就是 pending and active）。ack 了中断之后，CPU interface 就会 deassert nIRQCPU 和 nFIQCPU 信号线。
 *  中断处理完毕的通知。当 interrupt handler 处理完了一个中断的时候，会向写 CPU interface 的寄存器通知 GIC CPU 已经处理完该中断。做这个动作一方面是通知 Distributor 将中断状态修改为 deactive，另外一方面，CPU interface 会 priority drop，从而允许其他的 pending 的中断向 CPU 提交。
 *  为 CPU 设置中断优先级掩码。通过 priority mask，可以 mask 掉一些优先级比较低的中断，这些中断不会通知到 CPU。
 *  设置 CPU 的中断抢占（preemption）策略。
 *  在多个中断事件同时到来的时候，选择一个优先级最高的通知 CPU。

## gic中断类别 ##

givc2，将中断，分成了group0和group1。使用寄存器GICD\_IGROUPRn来对每个中断，设置组。  
![请添加图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA5qWT5r2H5r2H_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16]

*  group0：安全中断，由nFIQ驱动
 *  group1：非安全中断，由nIRQ驱动

GIC-V2支持三种类型的中断：

*  **SGI** (Software Generated Interrupt)：软件触发的中断。软件可以通过写 GICD\_SGIR 寄存器来触发一个中断事件，一般用于核间通信，内核中的 IPI：inter-processor interrupts 就是基于 SGI。
 *  **PPI** (Private Peripheral Interrupt)：私有外设中断。这是每个核心私有的中断。PPI会送达到指定的CPU上，应用场景有CPU本地时钟。
 *  **SPI** (Shared Peripheral Interrupt)：公用的外部设备中断，也定义为共享中断。中断产生后，可以分发到某一个CPU上。中断号ID32 - ID1019用于SPI，ID1020 - ID1023保留用于特殊用途；

gicv2，支持最大1020个中断。其中断号分配如下：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>中断类型</th> 
   <th>硬件中断号</th> 
   <th>分配</th> 
   <th>中断来源</th> 
   <th>寄存器</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>SGI</td> 
   <td>0~7</td> 
   <td>非安全中断</td> 
   <td>软件</td> 
   <td>GICD_SGIR</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>SGI</td> 
   <td>8~15</td> 
   <td>安全中断</td> 
   <td>软件</td> 
   <td>GICD_SGIR</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>PPI</td> 
   <td>16~31</td> 
   <td>私有中断</td> 
   <td>外设</td> 
   <td>no</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>SPI</td> 
   <td>32~1019</td> 
   <td>共享中断</td> 
   <td>外设</td> 
   <td>no</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>reserved</td> 
   <td>1020~1023</td> 
   <td>共享中断</td> 
   <td>no</td> 
   <td>no</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

## gicv2中断寄存器 ##

**register map**  
![请添加图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA5qWT5r2H5r2H_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 1]

**Distributor register summary**  
![请添加图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA5qWT5r2H5r2H_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 2]  
![请添加图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA5qWT5r2H5r2H_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 3]

#define GIC_DIST_CTRL			0x000
    #define GIC_DIST_CTR			0x004
    #define GIC_DIST_IIDR			0x008
    #define GIC_DIST_IGROUP			0x080
    #define GIC_DIST_ENABLE_SET		0x100
    #define GIC_DIST_ENABLE_CLEAR		0x180
    #define GIC_DIST_PENDING_SET		0x200
    #define GIC_DIST_PENDING_CLEAR		0x280
    #define GIC_DIST_ACTIVE_SET		0x300
    #define GIC_DIST_ACTIVE_CLEAR		0x380
    #define GIC_DIST_PRI			0x400
    #define GIC_DIST_TARGET			0x800
    #define GIC_DIST_CONFIG			0xc00
    #define GIC_DIST_SOFTINT		0xf00
    #define GIC_DIST_SGI_PENDING_CLEAR	0xf10
    #define GIC_DIST_SGI_PENDING_SET	0xf20

--------------------

**CPU interface register summary**

![请添加图片描述][watermark_type_ZHJvaWRzYW5zZmFsbGJhY2s_shadow_50_text_Q1NETiBA5qWT5r2H5r2H_size_20_color_FFFFFF_t_70_g_se_x_16 4]  
gic CPU interface寄存器定义：

#define GIC_CPU_CTRL			0x00
    #define GIC_CPU_PRIMASK			0x04
    #define GIC_CPU_BINPOINT		0x08
    #define GIC_CPU_INTACK			0x0c
    #define GIC_CPU_EOI			0x10
    #define GIC_CPU_RUNNINGPRI		0x14
    #define GIC_CPU_HIGHPRI			0x18
    #define GIC_CPU_ALIAS_BINPOINT		0x1c
    #define GIC_CPU_ACTIVEPRIO		0xd0
    #define GIC_CPU_IDENT			0xfc
    #define GIC_CPU_DEACTIVATE		0x1000

## gic中断处理流程 ##

中断处理流程，包含了以下几步：

1.  GIC决定每个中断的使能状态，不使能的中断，是不能发送中断的
2.  如果某个中断的中断源有效，GIC将该中断的状态设置为pending状态，然后判断该中断的目标core
3.  对于每一个core，GIC将当前处于pending状态的优先级最高的中断，发送给该core的cpu interface
4.  cpu interface接收GIC发送的中断请求，判断优先级是否满足要求，如果满足，就将中断通过nFIQ或nIRQ管脚，发送给core。
5.  core响应该中断，通过读取 GICC\_IAR 寄存器，来认可该中断。读取该寄存器，如果是软中断，返回源处理器ID，否则返回中断号。
6.  当core认可该中断后，GIC将该中断的状态，修改为active状态
7.  当core完成该中断后，通过写 EOIR （end of interrupt register）来实现优先级重置，写 GICC\_DIR 寄存器，来无效该中断。

## gic中断优先级 ##

gicv2，支持最小16个，最大256个中断优先级，如下图所示：  
![请添加图片描述][a499cc5337234bf3a365cd98e0723aa4.png]

如果实现的中断优先级小于256个，那么最低的几个bit，是为0的。  
  通过设置GICD\_IPRIORITYRn寄存器，来设置中断的优先级。这个寄存器是字节有效的，也就是一个字节，对应一个中断的优先级。优先级数值越小，那么这个中断的优先级越高。  
  高优先级的中断，是可以抢占低优先级的中断。

[Linux]: https://www.cnblogs.com/LoyenWang/p/12996812.html
[Linux 1]: https://mp.weixin.qq.com/s/e0Zj8MFMF921O_UAAj2phw
[linux kernel_GIC]: http://www.wowotech.net/irq_subsystem/gic_driver.html%22%3Ehttp://www.wowotech.net/irq_subsystem/gic_driver.html
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