GICv3学习

参考文档：

1. 《corelink_gic600_generic_interrupt_controller_technical_reference_manual_100336_0106_00_en》

2. 《IHI0069H_gic_architecture_specification》

3. 《ECM0495013B_GIC_Stream_Protocol》

一、GICv3寄存器接口

接口如下图所示：

通常，Distributor和Redistributor用于配置中断，CPU interface用于处理中断

1. Distributor interface

Distributor的寄存器是内存映射的（memory-mapped），用于配置spi：

功能
中断优先级和SPI的分发
启用和禁用SPI（GICD_CTLR、GICD_ISENABLER）
设置每个SPI的优先级
每个SPI的路由信息（SGI和PPI是每个核独立的）
SPI中断触发方式设置：水平触发或边缘触发
生成消息信号SPI
控制SPI的active和pending state（active、inactive、pending、active and pending）
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

2. Redistributor interface

每个core都连接一个redistributor

功能
启用和禁用SGI和PPI（Banked per PE）
设置SGI和PPI的优先级
将每个PPI设置为水平触发或边缘触发（SGI都是边缘触发）
将每个SGI和PPI分配给一个中断组
控制SGI和PPI的状态（active、inactive、pending、active and pending）
控制内存中支持相关中断属性和LPI挂起状态的数据结构的基址
为连接的PE提供电源管理支持

3. CPU interface

每个core包含一个CPU interface，这是在中断处理期间使用的系统寄存器：

功能
提供通用控制和配置以启用中断处理
将中断请求发送给cpu
中断认可（Acknowledge an interrupt）
执行优先级降权（priority drop）和中断无效（deactivation）
配置PE的中断优先级掩码
定义PE的中断抢占策略
确定PE的最高优先级挂起中断（Determine the highest priority pending interrupt for the PE）

二、中断状态机

对于每一个中断而言，有以下4个状态：

• inactive：中断处于无效状态，既没有新的信号产生，也没有在处理中的信号

• pending：中断处于有效状态，但是cpu没有响应该中断

• active：cpu在响应该中断，但是还没有处理完成

• active and pending：cpu在响应该中断，但是该中断源又发送中断过来（只有边缘触发型的中断才有这个状态）

  PS：LPI中断没有active和active and pending两个状态

Transition A1 or A2：这种转换发生在中断变为挂起的时候，可能是由于外设产生了中断，也可能是由于软件产生了中断

1. 对于SGI，有2种方法：写GICD_SGIR寄存器(产生1个中断)，或者写GICD_SPENDSGIR寄存器(将状态设置成pending)
2. 对于SPI 和PPI，也是2种方法：硬件产生，或者写GICD_ISPENDR寄存器

Transition B1 or B2：中断被外设无效（deasserted），中断是level-sensitive（水平触发），或者当软件改变了挂起状态时，就会发生这种转换

1. 对于SGI，设置GICD_CPENDSGIR寄存器
2. 对于SPI 和 PPI：对于电平触发的中断，电平改变后，Pending状态会移除；对于边沿触发以及写GICD_ISPENDR产生的中断，需要写GICD_ICPENDR寄存器来移除Pendding状态

Transition C：这种转换发生在PE对边缘触发的spi、sgi和ppi的中断确认时；对于spi、sgi和ppi，当软件从 ICC_IAR0_EL1 或 ICC_IAR1_EL1 读取INTID值时，就会发生这种转换

Transition D：这种转换发生在PE对水平触发的spi、sgi和ppi的中断确认时

Transition E1 or E2：当软件停用spi、sgi和ppi的中断时，就会发生这种转换

状态变迁:

• 中断信号被触发时，Inactive —> Pending
• 中断服务程序响应该信号时(中断服务程序读取 ICC_IAR0_EL1 或者 GICC_IAR 寄存器) Pending —> Active
• 中断服务程序完成处理 (中断服务程序写入ICC_EOIR0_EL1 或者 GICC_EOIR寄存器) Active —> Inactive
• 当处于Active状态时，gic会解除对该中断源的屏蔽，也就是说，如果之后该中断源上有第二个中断到来，那么cpu是可以接收到的。从新来的中断的角度，该中断源应该处于Pending状态，而从上一个还没处理完的中断的角度，该中断源又应该处于Active状态，所以这个特殊时期的状态被叫做Active and Pending

三、中断认可（Acknowledge an interrupt）

中断认可，是指cpu响应该中断。此时中断状态从pending状态，变为active状态。通过访问ICC_IAR0_EL1或者GICC_IAR寄存器，来对中断进行认可。

• ICC_IAR0_EL1、GICC_IAR：认可group0的中断

• ICC_IAR1_EL1、GICC_AIAR：认可group1的中断

cpu interface会将该中断的优先级作为运行中的优先级，任何低于该优先级的中断都无法抢占该中断的处理过程。可以通过ICC_RPR_EL1查看该优先级

四、中断完成

中断完成，是指cpu处理完中断。此时中断状态从active状态，变为inactive状态。gic中，对中断完成，定义了以下两个stage：

• 优先级降权（priority drop）：将当前中断屏蔽的最高优先级进行重置，以便能够响应低优先级中断。group0中断，通过写 ICC_EOIR0_EL1 或者 GICC_EOIR寄存器，来实现优先级降权；group1中断，通过写 ICC_EOIR1_EL1 或者 GICC_AEOIR 寄存器，来实现优先级降权。
• 中断无效（interrupt deactivation）：将中断的状态，设置为INACTIVE状态。处于ACTIVE状态的中断无法再次进入PENDING(边缘触发除外)，需要通过DEACTIVATION将ACTIVE变成INACTIVE。通过写 ICC_DIR_EL1或者 GICC_DIR 寄存器，来实现中断无效。

这里为什么要分两个阶段呢，其实是有考虑的：对于中断来说，我们是希望中断处理程序越短越好，但是有些中断处理程序，就是比较长，在这种情况下，就会使其他中断得到响应的时间变长，从而影响实时性。

比如当前cpu在响应优先级为4的中断A，但是这个中断A的中断处理程序比较长，此时如果有优先级为5的中断B到来，那么cpu是不会响应这个中断的。

在linux中，会将中断处理程序分为两部分，分为上半部分和下半部分。

在上半部分，完成中断最紧急的任务，然后就可以通知GIC，降低当前的中断处理优先级，以便其他中断能够得到响应。

在下半部分，处理该中断的其他事情。

在这种机制下，低优先级的中断，不用等待高优先级的中断完全执行完中断处理程序后，就可以被cpu所响应，提高实时性。（低优先级已经处在pending状态，就可以立马转为active）

为了实现上述机制，就将中断完成分成了2步。

还是刚刚的例子，cpu在响应优先级为4的中断A，当中断A的上半部分完成后，通知GIC，优先级降权（priority drop），GIC将当前的最高优先级中断重置，重置到响应中断A之前的优先级，比如优先级6，那么此时优先级为5的中断B，就可以被cpu响应。

最后中断A的下半部分完成后，通知GIC，将该中断A的状态，设置为inactive状态，此时中断A就真正的完成了。 当然，也可以不将中断完成分成2步，就1步。通过控制 ICC_CTLR_EL1或者GICC_CTLR寄存器的EOImode位，来决定是否将中断完成分成2步。

END OF INTERRUPT 有两种方式，由GIC DISTRIBUTOR的CTLR存器EOIMODE位决定：

• EOIMODE == 0，写入ICC_EOIRN_EL1完成优先级降权（priority drop）和中断无效（interrupt deactivation）
• EOIMODE == 1，写入ICC_EOIRN_EL1 只会完成优先级降权（priority drop），写入ICC_DIR_EL1 才会完成中断无效（interrupt deactivation）

​

五、中断处理流程

中断处理流程，包含了以下几步：

• 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
• 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
• 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
• 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。
• core响应该中断，通过读取 ICC_IAR0_EL1 或者 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。
• 当core认可该中断后，GIC将该中断的状态，修改为active状态（Pending —> Active）
• 当core完成该中断后，通过写 EOIR （end of interrupt register）来实现优先级降权，写 ICC_DIR_EL1 或者 GICC_DIR 寄存器（这里描述的是EOIMODE == 0的情况），来无效该中断（Active —> Inactive）

六、中断周期

• generate：外设或者软件发起一个中断
• distribute：distributor对收到的中断源进行仲裁，然后发送给对应的cpu interface
• deliver：cpu interface将中断发送给core
• activate：core通过读取 ICC_IAR0_EL1 或者 GICC_IAR 寄存器，来对中断进行认可
• priority drop: core通过写 ICC_EOIR0_EL1 或者 GICC_EOIR 寄存器，来实现优先级降权
• deactivation：core通过写 ICC_DIR_EL1 或者 GICC_DIR 寄存器，来无效该中断

七、寄存器

gicv3中，多了很多寄存器。而且对寄存器，提供了2种访问方式，一种是memory-mapped的访问，一种是系统寄存器访问

memory-mapped访问的寄存器
GICC：cpu interface寄存器
GICD：distributor寄存器
GICH：virtual interface控制寄存器，在hypervisor模式访问
GICR：redistributor寄存器
GICV：virtual cpu interface寄存器
GITS：ITS寄存器

系统寄存器访问的寄存器
ICC：物理 cpu interface 系统寄存器
ICV：虚拟 cpu interface 系统寄存器
ICH：虚拟 cpu interface 控制系统寄存器

对于系统寄存器访问方式的gic寄存器，是实现在core内部的。而memory-mapped访问方式的gic寄存器，是在gic内部的。

gicv3架构中，没有强制，系统寄存器访问方式的寄存器，是不能通过memory-mapped方式访问的。也就是ICC, ICV, ICH寄存器，也是可以实现在gic内部，通过memory-mapped方式去访问。但是一般的实现中，是没有这样的实现的。

下图是gicv3中，各个寄存器所在的位置：

下图是系统寄存器和memory-mepped方式寄存器的对应关系：

思考：

1. GICv3中，为什么选择将cpu interface，从gic中抽离，实现在core内部？
2. 为什么要将cpu interface的寄存器，增加系统寄存器的访问方式，实现在core的内部？

答：上述两个问题，总接起来的原因是这两点：为了软件编写能够简单，通用；为了让中断响应能够更快。

cpu interface的寄存器，是会频繁被core所访问的，因为core需要访问cpu interface的寄存器，来认可中断，来中断完成，来无效中断。而其他的寄存器，是配置中断的，只有在core需要去配置中断的时候，才会去访问。

在gicv2中，cpu interface的寄存器，是实现在gic内部的，因此当core收到一个中断时，会通过axi总线（假设memory总线是axi总线），去访问cpu interface的寄存器。而中断在一个soc系统中，是会频繁的产生的，这就意味着，core会频繁地去访问gic的寄存器，这样会占用axi总线的带宽，从而影响中断的实时响应。而且core通过axi总线去访问cpu interface寄存器，延迟也比较大。

在gicv3中，将cpu interface从gic中抽离出来，实现在core内部，而不实现在gic中。core对cpu interface的访问，通过系统寄存器方式访问，也就是使用msr，mrs访问，那么core对cpu interface的寄存器访问就加速了，而且还不占用axi总线带宽。这样core对中断的处理就加速了。

cpu interface与gic之间，是通过专用的AXI4-Stream总线来传输信息的，这样也不会占用AXI总线的带宽。

八、GIC流协议（GIC Stream Protocol）

GIC Stream Protocol接口基于单向的AXI4-Stream接口。因此，为了支持双向通信，GIC流协议接口在每个方向上都包含一个AXI4-Stream协议接口。

它用于gic的IRI组件（interrupt routing infrastructure）和cpu interface之间传输信息。 distributor，redistributor和ITS，统称为IRI组件。 gic stream协议，包含以下2个接口：

• 下行AXI-stream接口：用于IRI向cpu interface传递信息，连接
• 上行AXI-stream接口：用于cpu interface向IRI传递信息

IRI组件与cpu interface通过gic stream协议传输信息，传输的信息是以包（packet）为单位，分为两类：

• 命令包，分为redistributor命令包，cpu interface命令包
• 响应包，分为redistributor响应包，cpu interface响应包

AXI-stream协议，每次传输2个字节，多次传输，组成一个包。不同的包，大小是不一样的，比如有的是16个字节，有的是8个字节。包传输的第一个16bit数据，表示包的类型。 如果一个组件，发送命令包，那么另一个，需要回应响应包。

1. redistributor命令包

2. redistributor响应包

3. cpu interface命令包

4. cpu interface响应包

5. 包（packet）传输流程

①中断发送

• redistributor使用Set命令向其连接的cpu interface发送一个挂起的中断（pending interrupt）。该命令包括中断的INTID、优先级和中断组。Set命令有些特殊，因为它没有专用的确认命令。相反，当cpu interface发出Release或Activate命令时，Set被认为是已确认的。
• 当cpu interface接收到Set命令时，它会检查该中断是否有足够的优先级可以下发到PE。如果是，cpu interface通过IRQ/FIQ给PE发送中断从而导致PE异常，通常会导致对应的中断服务函数运行。
• PE响应cpu interface发送的中断，于是去读取ICC_IAR寄存器来确认中断，得到中断号。之后cpu interface给redistributor发送activate响应。然后把IRQ/FIQ给取消掉。
• 当中断被处理后，软件通过写入中断结束寄存器(EOIR)或停止中断寄存器(DIR)中的一个来停止中断。这将导致cpu interface向redistributor发送一个Deactivate命令。

②中断取消

• redistributor给cpu interface发送set命令，cpu interface接收到该命令后，通过IRQ/FIQ给cpu发送中断。
• redistributor给cpu interface发送clear命令，清除该中断，cpu interface将IRQ/FIQ拉低。然后发送release命令响应。
• cpu interface给redistributor发送clear acknowledge响应。
• 如果此时，cpu读取IAR寄存器，PE会获取到一个假的中断号（1023）。

③中断抢占

redistributor给cpu interface发送2个中断，第二个中断抢占第一个中断。包的流程如下：

• redistributor首先发送Set X命令，发送中断X。cpu interface接收该命令，将IRQ/FIQ拉高，向PE发送中断请求。
• 在cpu读取ICC_IAR寄存器之前，redistributor又给cpu interface发送了Set Y命令，发送中断Y。并且Y的优先级比X高。
• cpu interface给redistributor发送Release X响应，表示cpu interface暂时不处理中断X，中断X将在后续重新发送。
• PE读取ICC_IAR寄存器，认可中断Y。cpu interface给redistributor发送Activate Y响应，然后把IRQ/FIQ给取消掉。

九、SGI中断

SGI通常用于核间通信，通过写入cpu interface中的以下SGI寄存器之一来生成：（只支持边缘触发）

• 软件写ICC_SGI0R_EL1产生secure状态的group0软中断

• 软件写ICC_SGI1R_EL1产生对应当前secure状态的group1软中断

• 软件写ICC_ASGI1R_EL1产生secure状态的group1软中断

  

注意点：

十、虚拟中断

GICv3对虚拟化的支持增加了以下功能：

• cpu interface 寄存器的硬件虚拟化

• 生成虚拟中断并发出信号的能力

• 维护中断，将虚拟机中的特定事件通知hypervisor

cpu interface 寄存器分为三组：

• ICC: Physical CPU interface registers
• ICH: Virtualization control registers
• ICV: Virtual CPU interface registers

可以看到，原来的cpu interface再次细分，分成了物理cpu interface以及虚拟cpu interface，两者的功能是类似的。

细节：开启虚拟化时，当OS运行在虚拟机内部时ICC会自动映射成ICV。

为什么要这么处理呢？个人认为是为了方便虚拟化的实施，这样就可以不需要修改原来的GIC驱动代码，也不需要在代码里准备两套驱动逻辑。

物理中断如何被发送到vPE?

1. 物理中断从Redistributor转发到物理cpu interface
2. 物理cpu interface检查物理中断是否可以转发到PE。若可以，就会asserted一个物理异常
3. 中断被传送到EL2。hypervisor读取IAR，返回pINTID，pINTID现在处于Active状态。hypervisor决定将中断转发到当前运行的vPE，与此同时，hypervisor将pINTID写入ICC_EOIR1_EL1{ 当 ICC_CTLR_EL1.EOImode==1时，这只执行优先级降权（priority drop），而不停用（deactivating）物理中断。}
4. hypervisor找到一个空闲的List寄存器进行写入，从而表示一个虚拟中断被挂起（pending）。List寄存器项指明了要发送的vINTID和原始pINTID的关系。hypervisor然后执行异常返回，将执行返回给vPE
5. 虚拟cpu interface检查虚拟中断是否可以转发到vPE。除了使用ICV寄存器之外，这些检查与物理中断相同。若可以，就会asserted一个虚拟异常
6. 虚拟异常被带到EL1。当软件读取IAR时，返回vINTID，虚拟中断现在处于Active状态
7. Guest OS处理中断。当它处理完中断后，它会写入EOIR来执行优先级降权和停用。由于List寄存器记录了pINTID，这将同时禁用vINTID和pINTID。

虚拟中断的包传输流程和物理中断的类似，只是使用的命令变成了虚拟中断专用的。例如，下面的是中断发送的流程，使用的是VSet命令而不是Set命令：

st寄存器项指明了要发送的vINTID和原始pINTID的关系。hypervisor然后执行异常返回，将执行返回给vPE
5. 虚拟cpu interface检查虚拟中断是否可以转发到vPE。除了使用ICV寄存器之外，这些检查与物理中断相同。若可以，就会asserted一个虚拟异常
6. 虚拟异常被带到EL1。当软件读取IAR时，返回vINTID，虚拟中断现在处于Active状态
7. Guest OS处理中断。当它处理完中断后，它会写入EOIR来执行优先级降权和停用。由于List寄存器记录了pINTID，这将同时禁用vINTID和pINTID。

虚拟中断的包传输流程和物理中断的类似，只是使用的命令变成了虚拟中断专用的。例如，下面的是中断发送的流程，使用的是VSet命令而不是Set命令：