Linux 中断子系统中GIC 中断控制器基本分析

news2024/10/7 18:26:20

GIC 是 ARM 公司给 Cortex-A/R 内核提供的一个中断控制器，类似 Cortex-M 内核（STM32）中的 NVIC。

GIC：Generic Interrupt Controller，通用中断控制器。

NVIC：Nested Vectored Interrupt Controller，嵌套中断向量控制器。

目前 GIC 有 4 个版本：V1~V4，V1 是最老的版本，已经被废弃了。V2~V4 目前正在大量的使用。GIC V2 是给 ARMv7-A 架构使用的，比如 Cortex-A7、Cortex-A9、Cortex-A15 等， V3 和 V4 是给 ARMv8-A/R 架构使用的，也就是 64 位芯片使用的。

我们使用的是 IP 核，也就是 gic400、gic500、gic600。支持对应的架构。

gic400，支持 GIC-v2 架构。

gic500，支持 GIC-v3 架构。

gic600，支持 GIC-v3 和 GIC-v4 架构。

GIC-v2

GIC V2 最多支持 8 个核。ARM 会根据 GIC 版本的不同研发出不同的 IP 核，半导体厂商直接购买对应的 IP 核即可，比如 ARM 针对 GIC V2 就开发出了 gic400 这个中断控制器 IP 核。

当 GIC 接收到外部中断信号以后就会报给 ARM 内核，但是 ARM 内核只提供了四个信号给 GIC 来汇报中断情况：VFIQ、VIRQ、FIQ 和 IRQ：

VFIQ：虚拟快速 IRQ。

VIRQ：虚拟 IRQ。

FIQ：快速 IRQ。

IRQ:：Interrupt ReQuest。

VFIQ 和 VIRQ 是针对虚拟化的，我们不讨论虚拟化中断，剩下的就是 FIQ 和 IRQ 了。一般我们只使用 IRQ，所以相当于 GIC 最终向 ARM 内核就上报一个 IRQ 信号。

下图来源于ARM官方手册，是 GIC-v2 的框图：

左侧部分就是中断源，中间部分就是 GIC 控制器，最右侧就是中断控制器向处理器内核发送中断信息。我们重点要看的肯定是中间的 GIC 部分，GIC 将众多的中断源分为分为三类：

①、SPI(Shared Peripheral Interrupt)，共享外设中断，该中断来自于外设，所有 Core 共享的中断。比如按键中断、串口中断等等，这些中断所有的 Core 都可以处理，不限定特定 Core。

②、PPI(Private Peripheral Interrupt)，私有外设中断，该终端来自于外设，被特定的核处理。GIC 是支持多核的，每个核有自己独有的中断。

③、SGI(Software-generated Interrupt)，软中断，由软件触发引起的中断，通过向寄存器 GICD_SGIR 写入数据来触发，系统会使用 SGI 中断来完成多核之间的通信。

中断源有很多，为了区分这些不同的中断源肯定要给他们分配一个唯一 ID，这些 ID 就是中断 ID。GIC-v2中每一个 CPU 最多支持 1020 个中断 ID，中断 ID 号为 ID0~ID1019。这 1020 个 ID 包含了 PPI、SPI 和 SGI。这 1020 个 ID 分配如下：

ID0~ID15：这 16 个 ID 分配给 SGI。每个CPU核都有自己的16个。

ID16~ID31：这 16 个 ID 分配给 PPI。每个CPU核都有自己的16个。

ID32~ID1019：这 988 个 ID 分配给 SPI，像 GPIO 中断、串口中断等这些外部中断，至于具体到某个 ID 对应哪个中断那就由半导体厂商根据实际情况去定义了。

GIC-v2 架构分为了两个逻辑块：Distributor 和 CPU Interface，也就是分发器端和 CPU 接口端。

Distributor(分发器端)：中间那个框框，此逻辑块负责处理各个中断事件的分发问题，也就是中断事件应该发送到哪个 CPU Interface 上去。分发器收集所有的中断源，可以控制每个中断的优先级，它总是将优先级最高的中断事件发送到 CPU 接口端。分发器端要做的主要工作如下：

①、全局中断使能控制。

②、控制每一个中断的使能或者关闭。

③、设置每个中断的优先级。

④、设置每个中断的目标处理器列表。

⑤、设置每个外部中断的触发模式：电平触发或边沿触发。

⑥、设置每个中断属于组 0 还是组 1。

CPU Interface(CPU 接口端)：CPU 接口端听名字就知道是和 CPU Core 相连接的，因此在图中每个 CPU Core 都可以在 GIC 中找到一个与之对应的 CPU Interface。CPU 接口端就是分发器和 CPU Core 之间的桥梁，CPU 接口端主要工作如下：

①、使能或者关闭发送到 CPU Core 的中断请求信号。

②、应答中断。

③、通知中断处理完成。

④、设置优先级掩码，通过掩码来设置哪些中断不需要上报给 CPU Core。

⑤、定义抢占策略。

⑥、当多个中断到来的时候，选择优先级最高的中断通知给 CPU Core。

GIC-v2 支持 bypass 功能，当左上角 CFGSDISABLE 信号为高，外部来的 IRQ 和FIQ 不经过 GIC 仲裁，直连 CPU core 的 IRQ 和 FIQ 引脚。此场景可能用在启动阶段，一般不用。

右上角有 GICD_ 、GICC_ 、GICV_ 、GICH_ 系列寄存器，因为不讨论虚拟中断，所以我们一般只关心 GICD_ 、GICC_ 开头的寄存器， GICD_ 代表 Distributor 分配器的寄存器， GICC_ 代表 CPU interface 的寄存器。

有一点需要说明：不管 GIC 如何对中断进行分类，对 CPU core 来讲，只分为 IRQ、FIQ、VIRQ、VFIQ，一般所有的外部中断对CPU core来讲都属于IRQ：