Linux 中斷子系統(tǒng)：GIC 中斷控制器

作者：Jasonangel 2021-12-10 08:45:45

GIC 是 ARM 公司給 Cortex-A/R 內(nèi)核提供的一個(gè)中斷控制器，類似 Cortex-M 內(nèi)核（STM32）中的 NVIC。目前 GIC 有 4 個(gè)版本：V1~V4，V1 是最老的版本，已經(jīng)被廢棄了。

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GIC 是 ARM 公司給 Cortex-A/R 內(nèi)核提供的一個(gè)中斷控制器，類似 Cortex-M 內(nèi)核(STM32)中的 NVIC。

GIC：Generic Interrupt Controller，通用中斷控制器。
NVIC：Nested Vectored Interrupt Controller，嵌套中斷向量控制器。

目前 GIC 有 4 個(gè)版本：V1~V4，V1 是最老的版本，已經(jīng)被廢棄了。V2~V4 目前正在大量的使用。GIC V2 是給 ARMv7-A 架構(gòu)使用的，比如 Cortex-A7、Cortex-A9、Cortex-A15 等， V3 和 V4 是給 ARMv8-A/R 架構(gòu)使用的，也就是 64 位芯片使用的。

我們使用的是 IP 核，也就是 gic400、gic500、gic600。支持對(duì)應(yīng)的架構(gòu)。

gic400，支持 GIC-v2 架構(gòu)。

gic500，支持 GIC-v3 架構(gòu)。

gic600，支持 GIC-v3 和 GIC-v4 架構(gòu)。

GIC-v2

GIC V2 最多支持 8 個(gè)核。ARM 會(huì)根據(jù) GIC 版本的不同研發(fā)出不同的 IP 核，半導(dǎo)體廠商直接購(gòu)買對(duì)應(yīng)的 IP 核即可，比如 ARM 針對(duì) GIC V2 就開(kāi)發(fā)出了 gic400 這個(gè)中斷控制器 IP 核。

當(dāng) GIC 接收到外部中斷信號(hào)以后就會(huì)報(bào)給 ARM 內(nèi)核，但是 ARM 內(nèi)核只提供了四個(gè)信號(hào)給 GIC 來(lái)匯報(bào)中斷情況：VFIQ、VIRQ、FIQ 和 IRQ：

VFIQ：虛擬快速 IRQ。

VIRQ：虛擬 IRQ。

FIQ：快速 IRQ。

IRQ:：Interrupt ReQuest。

VFIQ 和 VIRQ 是針對(duì)虛擬化的，我們不討論虛擬化中斷，剩下的就是 FIQ 和 IRQ 了。一般我們只使用 IRQ，所以相當(dāng)于 GIC 最終向 ARM 內(nèi)核就上報(bào)一個(gè) IRQ 信號(hào)。

下圖來(lái)源于ARM官方手冊(cè)，是 GIC-v2 的框圖：

左側(cè)部分就是中斷源，中間部分就是 GIC 控制器，最右側(cè)就是中斷控制器向處理器內(nèi)核發(fā)送中斷信息。我們重點(diǎn)要看的肯定是中間的 GIC 部分，GIC 將眾多的中斷源分為分為三類：

①、SPI(Shared Peripheral Interrupt)，共享外設(shè)中斷，該中斷來(lái)自于外設(shè)，所有 Core 共享的中斷。比如按鍵中斷、串口中斷等等，這些中斷所有的 Core 都可以處理，不限定特定 Core。

②、PPI(Private Peripheral Interrupt)，私有外設(shè)中斷，該終端來(lái)自于外設(shè)，被特定的核處理。GIC 是支持多核的，每個(gè)核有自己獨(dú)有的中斷。

③、SGI(Software-generated Interrupt)，軟中斷，由軟件觸發(fā)引起的中斷，通過(guò)向寄存器 GICD_SGIR 寫入數(shù)據(jù)來(lái)觸發(fā)，系統(tǒng)會(huì)使用 SGI 中斷來(lái)完成多核之間的通信。

中斷源有很多，為了區(qū)分這些不同的中斷源肯定要給他們分配一個(gè)唯一 ID，這些 ID 就是中斷 ID。GIC-v2中每一個(gè) CPU 最多支持 1020 個(gè)中斷 ID，中斷 ID 號(hào)為 ID0~ID1019。這 1020 個(gè) ID 包含了 PPI、SPI 和 SGI。這 1020 個(gè) ID 分配如下：

ID0~ID15：這 16 個(gè) ID 分配給 SGI。每個(gè)CPU核都有自己的16個(gè)。

ID16~ID31：這 16 個(gè) ID 分配給 PPI。每個(gè)CPU核都有自己的16個(gè)。

ID32~ID1019：這 988 個(gè) ID 分配給 SPI，像 GPIO 中斷、串口中斷等這些外部中斷，至于具體到某個(gè) ID 對(duì)應(yīng)哪個(gè)中斷那就由半導(dǎo)體廠商根據(jù)實(shí)際情況去定義了。

GIC-v2 架構(gòu)分為了兩個(gè)邏輯塊：Distributor 和 CPU Interface，也就是分發(fā)器端和 CPU 接口端。

Distributor(分發(fā)器端)：中間那個(gè)框框，此邏輯塊負(fù)責(zé)處理各個(gè)中斷事件的分發(fā)問(wèn)題，也就是中斷事件應(yīng)該發(fā)送到哪個(gè) CPU Interface 上去。分發(fā)器收集所有的中斷源，可以控制每個(gè)中斷的優(yōu)先級(jí)，它總是將優(yōu)先級(jí)最高的中斷事件發(fā)送到 CPU 接口端。分發(fā)器端要做的主要工作如下：

①、全局中斷使能控制。

②、控制每一個(gè)中斷的使能或者關(guān)閉。

③、設(shè)置每個(gè)中斷的優(yōu)先級(jí)。

④、設(shè)置每個(gè)中斷的目標(biāo)處理器列表。

⑤、設(shè)置每個(gè)外部中斷的觸發(fā)模式：電平觸發(fā)或邊沿觸發(fā)。

⑥、設(shè)置每個(gè)中斷屬于組 0 還是組 1。

CPU Interface(CPU 接口端)：CPU 接口端聽(tīng)名字就知道是和 CPU Core 相連接的，因此在圖中每個(gè) CPU Core 都可以在 GIC 中找到一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的 CPU Interface。CPU 接口端就是分發(fā)器和 CPU Core 之間的橋梁，CPU 接口端主要工作如下：

①、使能或者關(guān)閉發(fā)送到 CPU Core 的中斷請(qǐng)求信號(hào)。

②、應(yīng)答中斷。

③、通知中斷處理完成。

④、設(shè)置優(yōu)先級(jí)掩碼，通過(guò)掩碼來(lái)設(shè)置哪些中斷不需要上報(bào)給 CPU Core。

⑤、定義搶占策略。

⑥、當(dāng)多個(gè)中斷到來(lái)的時(shí)候，選擇優(yōu)先級(jí)最高的中斷通知給 CPU Core。

GIC-v2 支持 bypass 功能，當(dāng)左上角 CFGSDISABLE 信號(hào)為高，外部來(lái)的 IRQ 和FIQ 不經(jīng)過(guò) GIC 仲裁，直連 CPU core 的 IRQ 和 FIQ 引腳。此場(chǎng)景可能用在啟動(dòng)階段，一般不用。

右上角有 GICD_ 、GICC_ 、GICV_ 、GICH_ 系列寄存器，因?yàn)椴挥懻撎摂M中斷，所以我們一般只關(guān)心 GICD_ 、GICC_ 開(kāi)頭的寄存器， GICD_ 代表 Distributor 分配器的寄存器， GICC_ 代表 CPU interface 的寄存器。

有一點(diǎn)需要說(shuō)明：不管 GIC 如何對(duì)中斷進(jìn)行分類，對(duì) CPU core 來(lái)講，只分為 IRQ、FIQ、VIRQ、VFIQ，一般所有的外部中斷對(duì)CPU core來(lái)講都屬于IRQ：

即便在 GIC 內(nèi)部分為了 SPI、SGI、PPI，但是最后都會(huì)到 CPU interface，CPU interface 再給 CPU core ，CPU core 只認(rèn)為有四種中斷類型，普通都是 IRQ。

GIC-v3

GIC-v3 架構(gòu)有改變，中斷號(hào)也變多了，不過(guò)還是向后兼容 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，命名為 0-7 。

GIC-v3將 CPU interface 從GIC側(cè)移到了CPU側(cè)，因?yàn)樘幚碇袛鄷?huì)頻繁訪問(wèn) CPU interface 的寄存器，移到 CPU 側(cè)加快訪問(wèn)速度，中斷處理就會(huì)加快。

GIC-v3 的架構(gòu)變化如下：以前 SPI、PPI、SGI 都?xì)w Distributor(分發(fā)器端) 管，現(xiàn)在只有 SPI 歸 Distributor管，PPI、SGI、LPI 都?xì)w Redistributor 管，作用還是一樣的。

寄存器分布，不同東西的寄存器開(kāi)頭不一樣：

GIC-v 3的中斷號(hào)規(guī)定如下，來(lái)源于ARM官方文檔。

最主要的區(qū)別就是增加了 LPI 這個(gè)中斷類型，是基于消息的中斷。

一般 IRQ 和 FIQ 都會(huì)有一個(gè)物理線，會(huì)給 CPU 核一個(gè)物理信號(hào)，代表中斷到來(lái)。LPI 不一樣，它是基于消息的機(jī)制，寫寄存器就會(huì)發(fā)一個(gè)消息中斷，是 ARM 在為未來(lái)布局，以后會(huì)出一些 server 的產(chǎn)品，獨(dú)享中斷號(hào)。

GIC-v3 邏輯圖總結(jié)如下：