Linux 中断 —— ARM GIC 中断控制器
GIC(Generic Interrupt Controller)是ARM公司提供的一个通用的中断控制器,其architecture specification目前有四个版本,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服务器系统结构)。目前在ARM官方网站只能下载到Version 2的GIC architecture specification,因此,本文主要描述符合V2规范的GIC硬件及其驱动。
具体GIC硬件的实现形态有两种,一种是在ARM vensor研发自己的SOC的时候,会向ARM公司购买GIC的IP,这些IP包括的型号有:PL390,GIC-400,GIC-500。其中GIC-500最多支持128个 cpu core,它要求ARM core必须是ARMV8指令集的(例如Cortex-A57),符合GIC architecture specification version 3。另外一种形态是ARM vensor直接购买ARM公司的Cortex A9或者A15的IP,Cortex A9或者A15中会包括了GIC的实现,当然,这些实现也是符合GIC V2的规格。
1. ARM中断控制器
1.1 ARM支持中断类型ARM GIC-v2支持三种类型的中断:
SGI:软件触发中断(Software Generated Interrupt),通常用于多核间通讯,最多支持16个SGI中断,硬件中断号从ID0~ID15。SGI通常在Linux内核中被用作 IPI 中断(inter-processor interrupts),并会送达到系统指定的CPU上。
PPI:私有外设中断(Private Peripheral Interrupt),是每个CPU私有的中断。最多支持16个PPI中断,硬件中断号从ID16~ID31。PPI通常会送达到指定的CPU上,应用场景有CPU本地时钟。
SPI:公用外设中断(Shared Peripheral Interrupt),最多可以支持988个外设中断,硬件中断号从ID32~ID1019。
1.2 GIC检测中断流程
GIC主要由两部分组成,分别是仲裁单元(Distributor)和CPU接口(Interface)模块
从图中可以看出, GIC 可以清晰的划分成两个部分:仲裁( Distributor )和 CPU 接口(CPU Interface)。CPU interface有两种,一种就是和普通processor接口,另外一种是和虚拟机接口的。Virtual CPU interface在本文中不会详细描述。分发器其实应该叫汇聚器,在 IC 的后端设计中, layout 会把各个模块引过来的中断线(就是上面说的三种中断)混接到 GIC 上,然后把混聚合的中断接到 CPU 的 IRQ 和 FIQ 线上,这样 CPU 就有触觉了。
其中 Distribute 只有一套,故基地址也只有一个,而 Interface 有多套,因为每个 CPU 都对应一套 interface 。
其中各个子中断使能,设置触发方式,优先级排序,分发到哪个 CPU 上这些功能由 Distribute 负责,总的中断的使能,状态的维护由 Interface 负责。
Distributor
Distributor的主要的作用是检测各个interrupt source的状态,控制各个interrupt source的行为,分发各个interrupt source产生的中断事件分发到指定的一个或者多个CPU interface上。虽然Distributor可以管理多个interrupt source,但是它总是把优先级最高的那个interrupt请求送往CPU interface。Distributor对中断的控制包括:
(1)中断enable或者disable的控制。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disable了全局的中断,那么任何的interrupt source产生的interrupt event都不会被传递到CPU interface。另外一个级别是对针对各个interrupt source进行控制(GIC_DIST_ENABLE_CLEAR),disable某一个interrupt source会导致该interrupt event不会分发到CPU interface,但不影响其他interrupt source产生interrupt event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。例如是level-sensitive还是edge-triggered
(5)interrupt group的设定
Distributor可以管理若干个interrupt source,这些interrupt source用ID来标识,我们称之interrupt ID。
CPU interface
CPU interface这个block主要用于和process进行接口。该block的主要功能包括:
(a)enable或者disable CPU interface向连接的CPU assert中断事件。对于ARM,CPU interface block和CPU之间的中断信号线是nIRQCPU和nFIQCPU。如果disable了中断,那么即便是Distributor分发了一个中断事件到CPU interface,但是也不会assert指定的nIRQ或者nFIQ通知processor。
(b)ackowledging中断。processor会向CPU interface block应答中断,中断一旦被应答,Distributor就会把该中断的状态从pending状态修改成active。如果没有后续pending的中断,那么CPU interface就会deassert nIRQCPU和nFIQCPU信号线。如果在这个过程中又产生了新的中断,那么Distributor就会把该中断的状态从pending状态修改成pending and active。这时候,CPU interface仍然会保持nIRQ或者nFIQ信号的asserted状态,也就是向processor signal下一个中断。
(c)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的寄存器从而通知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,可以允许其他的pending的interrupt向CPU interface提交。
(d)设定priority mask。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。
(e)设定preemption的策略
(f)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processor
GIC仲裁单元:为每一个中断维护一个状态机,分别是:inactive、pending、active and pending、active。
下面是来自IHI0048B GIC-V2规格书3.2.4 Interrupt handling state machine截图:
GIC检测中断流程如下:
(1) 当GIC检测到一个中断发生时,会将该中断标记为pending状态(A1)。
(2) 对处于pending状态的中断,仲裁单元回确定目标CPU,将中断请求发送到这个CPU上。
(3) 对于每个CPU,仲裁单元会从众多pending状态的中断中选择一个优先级最高的中断,发送到目标CPU的CPU Interface模块上。
(4) CPU Interface会决定这个中断是否可以发送给CPU。如果该终端优先级满足要求,GIC会发生一个中断信号给该CPU。
(5) 当一个CPU进入中断异常后,会去读取GICC_IAR寄存器来响应该中断(一般是Linux内核的中断处理程序来读寄存器)。寄存器会返回硬件中断号(hardware interrupt ID),对于SGI中断来说是返回源CPU的ID。
当GIC感知到软件读取了该寄存器后,又分为如下情况:
* 如果该中断源是pending状态,那么转改将变成active。(C)
* 如果该中断又重新产生,那么pending状态变成active and pending。(D)
* 如果该中断是active状态,现在变成active and pending。(A2)
(6) 当处理器完成中断服务,必须发送一个完成信号EOI(End Of Interrupt)给GIC控制器。软件写GICC_EOIR寄存器,状态变成inactive。(E1)
补充:
(7) 对于level triggered类型中断来说,当触发电平消失,状态从active and pending变成active。(B2)
常用路径是A1->D->B2->E1。
1.2.1 GIC中断抢占
GIC中断控制器支持中断优先级抢占,一个高优先级中断可以抢占一个低优先级且处于active状态的中断,即GIC仲裁单元会记录和比较当前优先级最高的pending状态,然后去抢占当前中断,并且发送这个最高优先级的中断请求给CPU,CPU应答了高优先级中断,暂停低优先级中断服务,进而去处理高优先级中断。
GIC会将pending状态优先级最高的中断请求发送给CPU。
1.2.2 Linux对中断抢占处理
从GIC角度看,GIC会发送高优先级中断请求给CPU。
但是目前CPU处于关中断状态,需要等低优先级中断处理完毕,直到发送EOI给GIC。
然后CPU才会响应pending状态中优先级最高的中断进行处理。
所以Linux下:
1. 高优先级中断无法抢占正在执行的低优先级中断。
2.同处于pending状态的中断,优先响应高优先级中断进行处理。
1.3 GIC中断时序
首先给出前提条件:
- N和M用来标识两个外设中断,N的优先级大于M
- 两个中断都是SPI类型,level trigger,active-high
- 两个中断被配置为去同一个CPU
- 都被配置成 group 0,通过FIQ触发中断
(1) T1时刻:GIC的总裁单元检测到中断M的电平变化。
(2) T2时刻:仲裁单元设置中断M的状态为pending。
(3) T17时刻:CPU Interface模块会拉低nFIQCPU[n]信号。在中断M的状态变成pending后,大概需要15个时钟周期后会拉低nFIQCPU[n]信号来向CPU报告中断请求(assertion)。仲裁单元需要这些时间来计算哪个是pending状态下优先级最高的中断。
(4) T42时刻:仲裁单元检测到另外一个优先级更高的中断N。
(5) T43时刻:仲裁单元用中断N替换中断M为当前pending状态下优先级最高的中断,并设置中断N为pending状态。
(6) T58时刻:经过tph个时钟后,CPU Interface拉低你FIOCPU[n]信号来通知CPU。因为此信号在T17时刻已经被拉低,CPU Interface模块会更新GICC_IAR寄存器的Interrupt ID域,该域的值变成中断N的硬件中断号。
(7) T61~T131时刻:Linux对中断N的服务程序---------------------中断服务程序处理段,从GICC_IAR开始到GICC_EOIR结束。
- T61时刻:CPU(Linux中断服务例程)读取GICC_IAR寄存器,即软件响应了中断N。这时仲裁单元把中断N的状态从pending变成active and pending。
- T64时刻:在中断N被Linux相应3个时钟内,CPU Interface模块完成对nFIQCPU[n]信号的deasserts,即拉高nFIQCPU[n]信号。
- T126时刻:外设也deassert了该中断N。
- T128时刻:仲裁单元移出了中断N的pending状态。
- T131时刻:Linux服务程序把中断N的硬件ID号写入GICC_EOIR寄存器来完成中断N的全部处理过程。
(8) T146时刻:在向GICC_EOIR寄存器写入中断N中断号后的tph个时钟后,仲裁单元会选择下一个最高优先级中断,即中断M,发送中断请求给CPU Interface模块。CPU Interface会拉低nFIQCPU[n]信号来向CPU报告外设M的中断请求。
(9) T211时刻:Linux中断服务程序读取GICC_IAR寄存器来响应中断,仲裁单元设置中断M的状态为active and pending。
(10) T214时刻:在CPU响应中断后的3个时钟内,CPU Interface模块拉高nFIOCPU[n]信号来完成deassert动作。
1.4 GIC中 寄存器描述
1.4.1 Distributor
一种实现是:
偏移 |
名称 |
可读写 |
复位后 |
作用 |
---|---|---|---|---|
|
GICD_CTLR |
RW |
|
Distributor Control Register 写入1使能控制器,必备 |
|
GICD_TYPER |
RO |
Configuration-dependent[d] |
Interrupt Controller Type Register 其中可以查看中断线的总数 |
|
GICD_IIDR |
RO |
|
Distributor Implementer Identification Register, GICD_IIDR 存了一些版本信息 |
|
GICD_IGROUPRn |
RW |
|
Interrupt Group Registers[e] 一个位图,控制中断属于A组还是B组 |
|
GICD_ISENABLERn |
RW[f] |
SGIs and PPIs: |
Interrupt Set-Enable Registers 一个位图,用于使能各个中断,写入1使能。有用 |
|
SPIs: |
|||
|
GICD_ICENABLERn |
RW[f] |
|
Interrupt Clear-Enable Registers 和上一个寄存器类似,作用相反,写入1禁止。 |
|
|
|||
|
GICD_ISPENDRn |
RW |
|
Interrupt Set-Pending Registers pend位图,写入1可以进入pend状态 |
|
GICD_ICPENDRn |
RW |
|
Interrupt Clear-Pending Registers 同上,写入1效果相反,阻止pend状态 |
|
GICD_ISACTIVERn |
RW |
|
Interrupt Set-Active Registers 位图,写入1可以**中断 |
0x380 -0x3BC
|
GICD_ICACTIVERn |
RW |
|
Interrupt Clear-Active Registers 写入1反**中断 |
|
GICD_IPRIORITYRn |
RW |
|
Interrupt Priority Registers 存着各个中断的优先级,每8位算一个 |
|
GICD_ITARGETSRn |
RO[h] |
- |
Interrupt Processor Targets Registers[i] 某个中断应该发往哪个处理器进行处理 |
|
RW |
|
||
|
GICD_ICFGRn |
RO |
SGIs: |
Interrupt Configuration Registers, GICD_ICFGRn 配置中断是低电平触发还是下降沿触发 |
|
RO |
PPIs: |
||
|
RW[j] |
SPIs: |
||
0xD00 |
GICD_PPISR |
RO |
0x00000000 |
Private Peripheral Interrupt Status Register, GICD_PPISR 一般没用 |
0xD04 -0xD3C
|
GICD_SPISRn |
RO |
0x00000000 |
Shared Peripheral Interrupt Status Registers, GICD_SPISRn 没用 |
0xF00 |
GICD_SGIR |
WO |
- |
Software Generated Interrupt Register 控制软中断 |
0xF10-0xF1C |
GICD_CPENDSGIRn |
RW |
|
SGI Clear-Pending Registers 软中断的pend位 |
|
GICD_SPENDSGIRn |
RW |
|
SGI Set-Pending Registers 同上,不过写入1时停止pend |
|
GICD_PIDR4 |
RO |
|
Peripheral ID 4 Register |
|
GICD_PIDR5 |
RO |
|
Peripheral ID 5 Register |
|
GICD_PIDR6 |
RO |
|
Peripheral ID 6 Register |
|
GICD_PIDR7 |
RO |
|
Peripheral ID 7 Register |
|
GICD_PIDR0 |
RO |
|
Peripheral ID 0 Register |
|
GICD_PIDR1 |
RO |
|
Peripheral ID 1 Register |
|
GICD_PIDR2 |
RO |
|
Peripheral ID 2 Register |
|
GICD_PIDR3 |
RO |
|
Peripheral ID 3 Register |
|
GICD_CIDR0 |
RO |
|
Component ID 0 Register |
|
GICD_CIDR1 |
RO |
0x000000F0 |
Component ID 1 Register |
|
GICD_CIDR2 |
RO |
|
Component ID 2 Register |
|
GICD_CIDR3 |
RO |
|
Component ID 3 Register |
1.4.2 CPU Interface
Offset |
Name |
Type |
Reset |
Description[a] |
---|---|---|---|---|
|
GICC_CTLR |
RW |
|
CPU Interface Control Register 使能位。写入1使能 |
|
GICC_PMR |
RW |
|
Interrupt Priority Mask Register 限制中断最低优先级,高于此值无法中断,最好写大一点 |
|
GICC_BPR |
RW |
|
Binary Point Register The minimum value of the Binary Point Register depends on which security-banked copy is considered:
Secure copy
Non-secure copy 优先级分组 |
|
GICC_IAR |
RO |
|
Interrupt Acknowledge Register 只读,中断id |
|
GICC_EOIR |
WO |
- |
End of Interrupt Register 写入以告知cpu已经处理完中断 |
|
GICC_RPR |
RO |
|
Running Priority Register 当前中断优先级 |
|
GICC_HPPIR |
RO |
|
Highest Priority Pending Interrupt Register 最高优先级中断号及其pend值 |
|
GICC_ABPR |
RW |
|
Aliased Binary Point Register The minimum value of the Aliased Binary Point Register is 别名寄存器 |
|
GICC_AIAR |
RO |
|
Aliased Interrupt Acknowledge Register 别名寄存器 |
|
GICC_AEOIR |
WO |
- |
Aliased End of Interrupt Register 别名寄存器 |
|
GICC_AHPPIR |
RO |
|
Aliased Highest Priority Pending Interrupt Register 别名寄存器 |
|
GICC_APR0 |
RW |
|
Active Priority Register 用于保存和恢复 |
|
GICC_NSAPR0 |
RW |
|
Non-Secure Active Priority Register 用于保存和恢复 |
|
GICC_IIDR |
RO |
|
CPU Interface Identification Register, GICC_IIDR 存着版本信息 |
|
GICC_DIR |
WO |
- |
Deactivate Interrupt Register |
参考文档:
DDI0471B_gic400_r0p1_trm.pdf
IHI 0048B, ARM Generic Interrupt Controller Architecture Specification, Ver 2.0.pdf
http://www.cnblogs.com/arnoldlu/p/8659972.html
https://www.cnblogs.com/arnoldlu/p/8659981.html
https://blog.****.net/xiafeng1113/article/details/44998179
http://www.wowotech.net/linux_kenrel/gic_driver.html
http://blog.****.net/velanjun/article/details/8757862
https://blog.****.net/hcy642813/article/details/73550723
https://www.cnblogs.com/linanwx/p/5631077.html