Linux 中断管理机制

GIC 硬件原理

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, 本文主要介绍GIC v3控制器。

GIC v3中断类别

GICv3定义了以下中断类型：

• 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。比如按键触发一个中断，手机触摸屏触发的中断。
• LPI (Locality-specific Peripheral Interrupt)：LPI 是 GICv3 中的新特性，它们在很多方面与其他类型的中断不同。LPI 始终是基于消息的中断，它们的配置保存在表中而不是寄存器。比如 PCIe 的 MSI/MSI-x 中断。

中断类型	硬件中断号
SGI	0-15
PPI	16-31
SPI	32-1019
reserved	......
LPI	8192-MAX

GIC v3 组成

GICv3 控制器由以下三部分组成:

• Distributor：SPI 中断的管理，将中断发送给 Redistributor

1. 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。
2. 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。
3. 优先级控制。
4. 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；
5. 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；

• Redistributor：SGI，PPI，LPI 中断的管理，将中断发送给 CPU interface

1. 启用和禁用 SGI 和 PPI。
2. 设置 SGI 和 PPI 的优先级。
3. 将每个 PPI 设置为电平触发或边缘触发。
4. 将每个 SGI 和 PPI 分配给中断组。
5. 控制 SGI 和 PPI 的状态。
6. 内存中数据结构的基址控制，支持 LPI 的相关中断属性和挂起状态。
7. 电源管理支持。

• CPU interface：传输中断给 Core

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 设置 CPU 的中断抢占（preemption）策略。
6. 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。

GICv3 控制器内部模块和各中断类型的关系如下图所示：

中断路由

GICv3 使用 hierarchy 来标识一个具体的 core, 如下图是一个四层的结构(aarch64)：

用 ... 的形式组成一个 PE 的路由。每一个 core 的 affnity 值可以通过 MPDIR_EL1 寄存器获取， 每一个 affinity 占用8bit。配置对应 core 的 MPIDR 值，可以将中断路由到该 core 上。

各个 affinity 的定义是根据 SOC 自己的定义，比如：

. ..
...
中断亲和性的设置的通用函数为 irq_set_affinity，后面会做详细介绍。

中断状态机

中断处理的状态机如下图：

• Inactive：无中断状态，即没有 Pending 也没有 Active。
• Pending：硬件或软件触发了中断，该中断事件已经通过硬件信号通知到 GIC，等待 GIC 分配的那个 CPU 进行处理，在电平触发模式下，产生中断的同时保持 Pending 状态。
• Active：CPU 已经应答（acknowledge）了该中断请求，并且正在处理中。
• Active and pending：当一个中断源处于 Active 状态的时候，同一中断源又触发了中断，进入 pending 状态。

中断处理流程

1. 外设发起中断，发送给 Distributor
2. Distributor 将该中断，分发给合适的 Redistributor
3. Redistributor 将中断信息，发送给 CPU interface
4. CPU interface 产生合适的中断异常给处理器
5. 处理器接收该异常，并且软件处理该中断

GIC 驱动

这里主要分析 linux kernel 中 GIC v3 中断控制器的代码(drivers/irqchip/irq-gic-v3.c)。

设备树

先来看下一个中断控制器的设备树信息：

gic: interrupt-controller@51a00000 {
        compatible = "arm,gic-v3";
        reg = <0x0 0x51a00000 0 0x10000>, /* GIC Dist */
              <0x0 0x51b00000 0 0xC0000>, /* GICR */
              <0x0 0x52000000 0 0x2000>,  /* GICC */
              <0x0 0x52010000 0 0x1000>,  /* GICH */
              <0x0 0x52020000 0 0x20000>; /* GICV */
        #interrupt-cells = <3>;
        interrupt-controller;
        interrupts = 9
                (GIC_CPU_MASK_SIMPLE(6) | IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH)>;
        interrupt-parent = <