GIC规格学习（一）

前言

因为ATF之前是2.5的版本，现在我们将其升级为2.7版本，但是这个版本使用的是gicv3。这里我们来看一下看一下从2到3变化是什么？

当然开始必须对GIC架构提供介绍。它对GIC架构作简要介绍，以及新引入到架构的特性。它也提供本文档中使用的术语进行定义。

一、关于GIC

设计GICv3架构是用于与Arm8-A和Arm8-R的处理部分PE一起运行工作。

GIC架构定义：

• （1）用于处理连接到GIC上的PE的所有中断源的架构需要；
  
• （2）为单处理器或多处理器系统提供一个通用中断控制器编程接口；
  

GIC是支持和控制中断的架构资源。它提供：

• （1）管理中断源，中断行为，中断路由到一个或多个PE的寄存器；
  
• （2）支持：

• Armv8架构
  
• LPI中断
  
• PPI中断
  
• SGI中断
  
• 中断屏蔽和中断优先级
  
• 单处理器和多处理器系统
  
• 在电源管理环境下wakeup事件
  

对于每个PE，GIC架构描述IRQ和FIQ中断是如何在系统中产生的。Armv8-A异常模型描述了PE是如何处理这些IRQ和FIQ中断。

中断处理也依赖于Armv8架构的其他方面，比如安全状态和虚拟化的支持。Arm架构提供两个安全状态，每个存在相关的物理内存地址空间：

• （1）安全状态
  
• （2）非安全状态
  

**GIC架构支持两个安全状态的中断路由和中断处理。**可以看章节Interrupt Grouping and security获得更多信息。

GIC架构支持Armv8架构处理与虚拟机相关的虚拟中断。一个虚拟系统存在：

• （1）一个hypervisor必须包含执行在EL2的部件，它负责在不同虚拟机VM之间进行切换；
  
• （2）多个执行在EL1的虚拟机VM；
  
• （3）在VM中应用执行在EL0;
  

可以查看Arm Architecture Reference Manual获得更多Armv8架构。为获取更多虚拟机VM，可以看GIC support for virtualization。

本文档定义了GIC架构的V3.0，V3.1，V3.2，V4.0，V4.1。GICv2仅作为GICv3的传统操作被描述。

NOTE：因为GICv4为GICv3.0和GICv3.1的扩展，如果没有明确指明，在本文档中GICv3的相关操作也能应用于GICv4。对于GICv4的任何架构修改都会被指明。

二、从GICv2到GICv3的修改

GIC scalability: GICv2架构仅支持最多8个PE，因此无法在大规模系统上使用。GICv3通过修改哪个中断被路由的机制（亲和性路由）并对中断分发器引入新的部件（Redistributor）来解决GICv2的问题。（这几个路由是通过掩码机制实现的。）

安全状态的亲和性路由通过设置GICD_CTLR_ARE_S或GICD_CTLR_ARE_NS为1被使能。

Interrupt grouping: 中断分组为GICv3使用的机制来对齐中断处理与Armv8异常模型：

• 1、Group0物理中断被用来处理最高实现的异常级别；
• 2、安全Group1物理中断被用来处理安全EL1或EL2;
• 3、非安全Group1物理中断在使用虚拟化的系统中处理非安全EL2，或不使用虚拟化的系统中处理非安全EL1;

这些中断可以被映射Armv8 FIQ和IRQ信号，在Interrupt grouping中描述，使用Armv8架构的配置位，这些配置位在GICv3架构中。

在GICv3中，Interrupt grouping支持：

• 配置每个中断为Group0，安全Group1，或非安全Group1;
• 使用FIQ异常请求将Group0物理中断发送到目标PE；
• 在安全状态使用IRQ handler将中断处理，将Group1物理中断发送到目标PE。Group1中断的准确处理依赖于当前异常处理和安全状态；
• 统一方案来处理Group0和Group1中断的优先级；

中断转换服务（ITS）：中断转换服务ITS允许软件控制中断是如何被发送到ITS：

• GICv3和GICv4中的物理中断；
  
• GICv4中的虚拟中断；
  

ITS也允许软件决定一个转换中断的目标Redistributor。软件可以通过命令接口和内存中相关的基于表的结构体来控制ITS。ITS的输出通常为LPI，它是一种形式的基于信息中断。（特殊的，之前在转载的卢俊前辈的博客也有提到）

位置特定的外设中断（LPI）：LPI中断是一种新的类型中断，它能够明显扩展GIC可以处理中断ID空间。LPI是可选的，如果实现，可以通过ITS产生和支持。

软件产生中断（SGI）：GICv3具备支持大规模系统的能力，SGI的上下文被修改，不再包含源PE的识别。（也被称为IPI）

NOTE:原始的SGI格式仅在支持传统操作的GIC实现中有效。

共享外设中断（SPI）: Distributor中一组新的寄存器被添加用于支持基于信息的SPI的设置和清除。

系统寄存器接口：在Armv8-A或Armv8-R PE中该接口使用系统寄存器指令为CPU接口寄存器提供紧密耦合的接口。该接口用于寄存器，这些寄存器直接与中断处理和优先级屏蔽来最小化访问时延相关。为了虚拟化，可以以这种方式访问的寄存器包含两种寄存器，一种由VM中断handler访问的寄存器，一种将hypervisor的虚拟中断发送给VM。所有这些寄存器都是内存映射的。

对于AArch64状态，通过下列设置使能对系统寄存器接口的访问：

ICC_SRE_EL1.SRE==1
ICC_SRE_EL2.SRE==1
ICC_SRE_EL3.SRE==1

对于AArch32状态，通过下列设置使能对系统寄存器接口的访问：

ICC_SRE.SRE==1
ICC_HSRE.SRE==1
ICC_MSRE.SRE==1

**其他行为，往前兼容GICv2，**在章节14中进行描述。（猜测这个应该是指的GIC的手册）

NOTE: 对于支持传统操作的GIC中，内存映射的访问对所有架构的GIC都有效。

本文档描述了系统中GICv3架构，包括亲和性路由，系统寄存器访问，两个安全状态，以及使能。这意味着:

GICD_CTLR.ARE_NS==1
GICD_CTLR.ARE_S==1
GICD_CTLR.DS==1

AArch64状态操作如下：

ICC_SRE_EL1.SRE==1，对于寄存器的安全和非安全copy;
ICC_SRE_EL2.SRE==1
ICC_SRE_EL3.SRE==1

AArch32状态操作如下：

ICC_SRE.SRE==1
ICC_HSRE.SRE==1
ICC_MSRE.SRE==1

对于GICv3，如果PE实现了安全EL2，传统操作ARE和SRE控制BIT设置为0是不允许并移除的。

特定修改

GICv3.1特定的修改：GICv3.1支持内存partitioning和monitoring，一个扩展的SPI范围，一个扩展的PPI范围，并支持安全EL2。

GICv3.2特定的修改：GICv3.2增加对Armv8-R AArch64的支持。

GICv4特定的修改：GICv4在不需要陷入hypervisor时增加对虚拟中断注入到虚拟机VM。直接注入仅在实现了至少一个ITS的系统上支持，ITS将中断转化为LPI。

GICv4.1特定的修改：GICv4.1也将直接注入支持扩展到处理虚拟SGI。GICv4.1修改了GICv4数据结构处理的方式。

3、中断术语

1、基础术语

这里重复了就不再记录了

【ARM GIC中断系列（一）：简介和术语】

2、其他术语

还有下列其它的术语在本系列文章中被使用：

• Idle priority: 在GICv3中，当在当前接口上没有中断时0xff为CPU接口上读取ICC_RPR_EL1获取的运行优先级。在传统操作时，idle priority从GICC_RPR中读取，在GICv2中由实现定义的。
  
• Interrupt Identifier(INTID)：INTID为相关事件和中断源的唯一中断号。中断被路由到一个或多个PE上处理。PPI和SGI中断号对每个PE为本地的。SPI和LPI对于物理domain为全局中断号。看INTID获取更多信息。
  
• nterrupt Routing Infrastructure(IRI)：Distributor，Redistribution，选择性的一个或多个ITS。
  
• Message-based Interrupt: 基于信息的中断为因为内存写访问一个分配的地址而产生的中断。物理中断可以被转化为基于信息的中断。基于信息的中断可以支持电平中断或边沿中断，虽然LPI中断通常为边沿触发中断。
  

GICv3对基于信息的中断支持两种机制：

• （1）用于与SPI通信的机制，当分配的地址在Distributor时。在这种情况下基于信息的中断可以为电平中断或边沿触发中断；
  
• （2）用于与LPI通信的机制，当分配的地址在ITS中，如果ITS实现，或在Redistributor。
  

Arm建议LPI的使用来提供支持PCIE系统中MSI和MSI-X能力的支持。可以看章节5 Locality-specific Peripheral Interrupts and ITS获取更多信息。GICv3也包含使用基于信息的中断发起SPI中断，可以看Shared Peripheral Interrupt。

• Physical Interrupt: 目标为物理PE的中断为一个物理中断。它通过物理CPU接口发送到PE。
  
• Running Priority: 在任何时候，一个CPU接口的运行优先级可以为：

• （1）active中断的group优先级，在这种接口上不会出现优先级下降；
  
• （2）如果没有active中断（在这个接口上优先级不会下降），运行优先级为空优先级0xff；
  

• Sufficient Priority: GIC CPU接口会比较使能的pending中断的下列情况，来决定是否中断存在足够的优先级：

• （1）优先级屏蔽寄存器，ICC_PMR_EL1;
  
• （2）接口的抢占设置，由ICC_BPR0_EL1和ICC_BPR1_EL1指定；
  
• （3）当前运行优先级，由CPU接口的ICC_PRP_EL1指定；
  

如果中断有足够优先级，它被发送到连接的PE上。

• Virtual Interrupt: 目标为一个VM的中断为虚拟中断。它是由相关的虚拟化CPU接口发起的。看章节6 Virtual Interrupt Handling and Prioritization获取更多信息。
  
• Maintenance Interrupt: 它为一个物理中断，将VM上与中断处理相关的重要事件发出，并允许hypervisor跟踪这些事件。这些事件由hypervisor处理，且包含使能和禁用中断的一些特定group。
  

4、处理中断的模型

在多处理器实现中，存在下列模型来处理中断：

1-Targeted distribution model

Targeted distribution model：该模型可以应用于所有PPI和LPI。它也可以应用于：

• （1）如果GICD_IROUTER.Interrupt_Routing_Mode==0，在非传统操作的SPI；
  
• （2）在传统操作时，当GICD_CTLR.ARE_*==0时，如果仅GICD_ITARGETSR域的一个为为1；
  

目标PE由软件接受到中断被指定。

2-Target list model

Target list model: 该模式仅用于SGI。多个PE独立的接受中断。当一个PE ack一个中断，中断的pending状态仅对该PE被清除。中断仍每个PE独立的pending直到被PE ack。

3-1：N model

1：N model: 该模式仅用于SPI。中断目标为一组特定的PE，但只在一个PE上处理。中断选择的PE是由实现定义的。架构存在哪个PE被选择的限制。

注意：

• （1）Arm GIC架构保证1：N中断在目标PE组的其中一个PE；
  
• （2）1：N中断可以没最高优先级的中断上，或被ICC_PMR_EL1屏蔽的中断。

**对于传统操作的SPI，这个模型应用于目标寄存器指定一个目标PE。**
  **如果超过一个PE可以处理中断，硬件实现机制来决定哪个PE激活这个中断。**

参考链接：

https://blog.csdn.net/flyingnosky/article/details/124002544