Linux 中断子系统中GIC 中断控制器基本分析

简介: Linux 中断子系统中GIC 中断控制器基本分析

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。

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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

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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:

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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 CPUCore 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:

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即便在 GIC 内部分为了 SPI、SGI、PPI,但是最后都会到 CPU interface,CPU interface 再给 CPU core ,CPU core 只认为有四种中断类型,普通都是 IRQ。


GIC-v3

GIC-v3 架构有改变,中断号也变多了,不过还是向后兼容 GIC-v2 的。

GIC-v3支持超多核,以 xxx.xxx.xxx.xxx 命名,不止8核,GIC-v2 只支持 8 核,命名为 0-7 。

GIC-v3将 CPU interface 从GIC侧移到了CPU侧,因为处理中断会频繁访问 CPU interface 的寄存器,移到 CPU 侧加快访问速度,中断处理就会加快。

GIC-v3 的架构变化如下:以前 SPI、PPI、SGI 都归 Distributor(分发器端) 管,现在只有 SPI 归 Distributor管,PPI、SGI、LPI 都归 Redistributor 管,作用还是一样的。

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寄存器分布,不同东西的寄存器开头不一样:

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GIC-v 3的中断号规定如下,来源于ARM官方文档。

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最主要的区别就是增加了 LPI 这个中断类型,是基于消息的中断。

一般 IRQ 和 FIQ 都会有一个物理线,会给 CPU 核一个物理信号,代表中断到来。LPI 不一样,它是基于消息的机制,写寄存器就会发一个消息中断,是 ARM 在为未来布局,以后会出一些 server 的产品,独享中断号。

GIC-v3 逻辑图总结如下:

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GIC -v2 架构寄存器:

来源于 GIC-v2 手册最后几页:

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这里的 alias 别名很有意思,说明了这个寄存器是干嘛的:

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GIC -v3的寄存器不一样,是 ICC_ 、ICV_ 、ICH_ 系列寄存器。

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