GIC 硬件原理

GIC，Generic Interrupt Controller。是ARM公司提供的一個(gè)通用的中斷控制器。主要作用為：接受硬件中斷信號(hào)，并經(jīng)過一定處理后，分發(fā)給對(duì)應(yīng)的CPU進(jìn)行處理。

當(dāng)前GIC 有四個(gè)版本，GIC v1~v4, 本文主要介紹GIC v3控制器。

GIC v3中斷類別

GICv3定義了以下中斷類型：

SGI(Software Generated Interrupt)：軟件觸發(fā)的中斷。軟件可以通過寫 GICD_SGIR 寄存器來觸發(fā)一個(gè)中斷事件，一般用于核間通信，內(nèi)核中的 IPI：inter-processor interrupts 就是基于 SGI。

PPI(Private Peripheral Interrupt)：私有外設(shè)中斷。這是每個(gè)核心私有的中斷。PPI會(huì)送達(dá)到指定的CPU上，應(yīng)用場景有CPU本地時(shí)鐘。

SPI(Shared Peripheral Interrupt)：公用的外部設(shè)備中斷，也定義為共享中斷。中斷產(chǎn)生后，可以分發(fā)到某一個(gè)CPU上。比如按鍵觸發(fā)一個(gè)中斷，手機(jī)觸摸屏觸發(fā)的中斷。

LPI(Locality-specific Peripheral Interrupt)：LPI 是 GICv3 中的新特性，它們?cè)诤芏喾矫媾c其他類型的中斷不同。LPI 始終是基于消息的中斷，它們的配置保存在表中而不是寄存器。比如 PCIe 的 MSI/MSI-x 中斷。

GIC v3 組成

GICv3 控制器由以下三部分組成:

Distributor：SPI 中斷的管理，將中斷發(fā)送給 Redistributor

打開或關(guān)閉每個(gè)中斷。Distributor對(duì)中斷的控制分成兩個(gè)級(jí)別。一個(gè)是全局中斷的控制（GIC_DIST_CTRL）。一旦關(guān)閉了全局的中斷，那么任何的中斷源產(chǎn)生的中斷事件都不會(huì)被傳遞到 CPU interface。另外一個(gè)級(jí)別是對(duì)針對(duì)各個(gè)中斷源進(jìn)行控制（GIC_DIST_ENABLE_CLEAR），關(guān)閉某一個(gè)中斷源會(huì)導(dǎo)致該中斷事件不會(huì)分發(fā)到 CPU interface，但不影響其他中斷源產(chǎn)生中斷事件的分發(fā)。

控制將當(dāng)前優(yōu)先級(jí)最高的中斷事件分發(fā)到一個(gè)或者一組 CPU interface。當(dāng)一個(gè)中斷事件分發(fā)到多個(gè) CPU interface 的時(shí)候，GIC 的內(nèi)部邏輯應(yīng)該保證只 assert 一個(gè)CPU。

優(yōu)先級(jí)控制。

interrupt屬性設(shè)定。設(shè)置每個(gè)外設(shè)中斷的觸發(fā)方式：電平觸發(fā)、邊緣觸發(fā)；

interrupt group的設(shè)定。設(shè)置每個(gè)中斷的 Group，其中 Group0 用于安全中斷，支持 FIQ 和 IRQ，Group1 用于非安全中斷，只支持 IRQ；

Redistributor：SGI，PPI，LPI 中斷的管理，將中斷發(fā)送給 CPU interface

啟用和禁用 SGI 和 PPI。

設(shè)置 SGI 和 PPI 的優(yōu)先級(jí)。

將每個(gè) PPI 設(shè)置為電平觸發(fā)或邊緣觸發(fā)。

將每個(gè) SGI 和 PPI 分配給中斷組。

控制 SGI 和 PPI 的狀態(tài)。

內(nèi)存中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基址控制，支持 LPI 的相關(guān)中斷屬性和掛起狀態(tài)。

電源管理支持。

CPU interface：傳輸中斷給 Core

打開或關(guān)閉 CPU interface 向連接的 CPU assert 中斷事件。對(duì)于 ARM，CPU interface 和 CPU 之間的中斷信號(hào)線是 nIRQCPU 和 nFIQCPU。如果關(guān)閉了中斷，即便是 Distributor 分發(fā)了一個(gè)中斷事件到 CPU interface，也不會(huì) assert 指定的 nIRQ 或者 nFIQ 通知 Core。

中斷的確認(rèn)。Core 會(huì)向 CPU interface 應(yīng)答中斷（應(yīng)答當(dāng)前優(yōu)先級(jí)最高的那個(gè)中斷），中斷一旦被應(yīng)答，Distributor 就會(huì)把該中斷的狀態(tài)從 pending 修改成 active 或者 pending and active（這是和該中斷源的信號(hào)有關(guān)，例如如果是電平中斷并且保持了該 asserted 電平，那么就是 pending and active）。ack 了中斷之后，CPU interface 就會(huì) deassert nIRQCPU 和 nFIQCPU 信號(hào)線。

中斷處理完畢的通知。當(dāng) interrupt handler 處理完了一個(gè)中斷的時(shí)候，會(huì)向?qū)?CPU interface 的寄存器通知 GIC CPU 已經(jīng)處理完該中斷。做這個(gè)動(dòng)作一方面是通知 Distributor 將中斷狀態(tài)修改為 deactive，另外一方面，CPU interface 會(huì) priority drop，從而允許其他的 pending 的中斷向 CPU 提交。

為 CPU 設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)掩碼。通過 priority mask，可以 mask 掉一些優(yōu)先級(jí)比較低的中斷，這些中斷不會(huì)通知到 CPU。

設(shè)置 CPU 的中斷搶占（preemption）策略。

在多個(gè)中斷事件同時(shí)到來的時(shí)候，選擇一個(gè)優(yōu)先級(jí)最高的通知 CPU。

GICv3 控制器內(nèi)部模塊和各中斷類型的關(guān)系如下圖所示：

中斷路由

GICv3 使用 hierarchy 來標(biāo)識(shí)一個(gè)具體的 core, 如下圖是一個(gè)四層的結(jié)構(gòu)(aarch64)：

用 ... 的形式組成一個(gè) PE 的路由。每一個(gè) core 的 affnity 值可以通過 MPDIR_EL1 寄存器獲取， 每一個(gè) affinity 占用8bit。配置對(duì)應(yīng) core 的 MPIDR 值，可以將中斷路由到該 core 上。

各個(gè) affinity 的定義是根據(jù) SOC 自己的定義，比如：

... ...

中斷親和性的設(shè)置的通用函數(shù)為 irq_set_affinity，后面會(huì)做詳細(xì)介紹。

中斷狀態(tài)機(jī)

中斷處理的狀態(tài)機(jī)如下圖：

Inactive：無中斷狀態(tài)，即沒有 Pending 也沒有 Active。

Pending：硬件或軟件觸發(fā)了中斷，該中斷事件已經(jīng)通過硬件信號(hào)通知到 GIC，等待 GIC 分配的那個(gè) CPU 進(jìn)行處理，在電平觸發(fā)模式下，產(chǎn)生中斷的同時(shí)保持 Pending 狀態(tài)。

Active：CPU 已經(jīng)應(yīng)答（acknowledge）了該中斷請(qǐng)求，并且正在處理中。

Active and pending：當(dāng)一個(gè)中斷源處于 Active 狀態(tài)的時(shí)候，同一中斷源又觸發(fā)了中斷，進(jìn)入 pending 狀態(tài)。

中斷處理流程

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外設(shè)發(fā)起中斷，發(fā)送給 Distributor

Distributor 將該中斷，分發(fā)給合適的 Redistributor

Redistributor 將中斷信息，發(fā)送給 CPU interface

CPU interface 產(chǎn)生合適的中斷異常給處理器

處理器接收該異常，并且軟件處理該中斷

審核編輯：何安