中断控制器及中断域

congchp

于 2024-12-23 06:09:52 发布

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中断控制器

外围设备不是把中断请求直接发送给处理器，而是发给中断控制器，由中断控制器转发给处理器；

中断控制器 是用于管理和调度系统中各种中断请求的硬件模块。在多设备或多中断源的系统中，中断控制器起到仲裁和分发中断信号的作用，确保 CPU 能够按优先级高效处理中断请求。

中断控制器的功能

中断控制器的主要功能包括：

中断管理：接收多个中断源的请求，按照优先级将中断请求传递给 CPU。
中断屏蔽：可以屏蔽某些不需要响应的中断。
优先级仲裁：根据中断的优先级确定中断处理的顺序。
中断分发：在多核处理器系统中，将中断分发给特定的 CPU 核心。

通用中断控制器（GIC）

ARM公司提供了一种标准的中断控制器，称为通用中断控制器（Generic Interrupt Controller，GIC）；GIC发展历程中有多个版本（v1~v4），每个版本都引入了不同的功能与改进，以适配更复杂的多核处理器系统；GIC各版本之间主要是支持的CPU核心数、中断类型不同；

GIC硬件的实现形态有两种：

1）厂商研发自己的ARM处理器，向ARM公司购买GIC的授权；

2）厂商直接向ARM公司购买处理器的授权，这些处理器包含了GIC；

GIC的结构组成

从软件的角度看，GIC有两个主要的功能块：

GIC Distributor（分发器）：

系统中所有的中断源连接到分发器,分发器的寄存器用来控制单个中断的属性：优先级、状态、安全、转发信息(可以被发送到哪些处理器)和使能状态。分发器决定哪个中断应该通过处理器接口转发到哪个处理器。

GIC CPU Interface（CPU 接口）：

处理器通过处理器接口接收中断。处理器接口提供的寄存器用来屏蔽和识别中断，控制中断的状态。每个处理器有一个单独的处理器接口。

GIC的中断类型

软件通过中断号识别中断，每个中断号唯一对应一个中断源；

ARM GIC（Generic Interrupt Controller，通用中断控制器） 的中断类型主要包括以下几类：

SGI（Software Generated Interrupt，软件触发中断）

定义：由软件生成的中断，通常用于同一个处理器集群中的 CPU 核之间的通信（例如唤醒其他核）。
特点：
- 只能在同一组 CPU Cluster 中使用。
- 软件通过向 GIC Distributor 写寄存器触发 SGI。
- 中断号范围：0-15（通常只有 16 个）。
- 主要用于 核间通信（IPI，Inter-Processor Interrupt）。
使用场景：核之间的同步、任务调度、唤醒 CPU 核。

SGI和软中断的区别：

SGI 属于硬件中断的一部分，主要用于 CPU 核之间的通信。
软中断 是 Linux 内核中提供的 软件机制，用于延迟处理硬中断后的任务。
SGI 和软中断的共同点是都可以由软件触发，但 SGI 属于硬中断，而 软中断纯粹是软件调度机制。

PPI（Private Peripheral Interrupt，私有外设中断）

定义：分配给每个 CPU 核的中断，是每个核私有的中断，不同的核可以有独立的 PPI。
特点：
- 中断号范围：16-31（固定的中断号）。
- 每个 CPU 核都有自己的一组 PPI。
- 常用于管理处理器本地外设，如 定时器（Local Timer） 或 看门狗。
使用场景：处理器本地中断，如定时器中断、核本地外设的中断。

SPI（Shared Peripheral Interrupt，共享外设中断）

定义：被多个 CPU 核共享的外设中断，由 GIC 分发到合适的 CPU 核进行处理。
特点：
- 中断号范围：32-1019。
- 通常由外部设备（如网络控制器、USB 控制器等）触发。
- 通过 GIC Distributor 控制分发到指定的 CPU 核。
使用场景：外设中断，如网络设备、USB 控制器、DMA 控制器等。

LPI（Locality-specific Peripheral Interrupt）

功能：LPI 是为了解决大规模设备中断需求而设计的，尤其是通过 MSI（Message Signaled Interrupt） 的机制来动态分发中断。
特点：
- 动态中断号分配：LPI 不使用固定的中断号，而是可以动态分配。
- 高扩展性：中断号可以扩展到 2^24（最多 16M+ 个中断）。
- ITS（Interrupt Translation Service）支持：LPI 需要通过 GIC ITS（Interrupt Translation Service）进行路由和管理。
- 专为高性能场景设计：特别适合 PCIe 设备 使用的 MSI（Message Signaled Interrupt）。

边沿触发和水平触发

中断可以是边沿触发（edge-triggered，ET），也可以是水平触发（level-triggered，LT）。ET是再电压变化的一瞬间触发，电压由高到低变化触发的中断称为下降沿触发，电压由低到高变化触发的中断称为上升沿触发；LT是再高电压或低电压保持的时间内触发，低电压触发的中断称为低电平触发，高电压触发的中断称为高电平触发；

中断状态

中断有以下4种状态：

(1)Inactive:中断源没有发送中断。

(2)Pending:中断源已经发送中断,等待处理器处理。

(3)Active:处理器已经确认中断,正在处理。

(4)Activeand pending:处理器正在处理中断,相同的中断源)又发送了一个中断

中断的状态转换过程如下。

(1)Inactive->Pending:外围设备发送了中断。

(2)Pending->Active:处理器确认了中断。

(3)Active->Inactive:处理器处理完中断。

中断控制器的工作流程

中断源发起请求：外设或软件触发一个中断请求。
中断控制器接收中断：
- GIC Distributor 接收中断请求。
- 仲裁中断的优先级，并决定将中断分发给哪个 CPU 核。
CPU 接收中断：
- GIC CPU Interface 将中断信息通知 CPU。
- CPU 通过中断向量表找到对应的中断服务例程（ISR）并执行。
中断处理完成：
- CPU 执行完 ISR 后，向 GIC 发送 中断结束信号（EOI）。
- GIC 清除中断状态，等待下一次中断请求。

内核中GIC定义

不同种类的中断控制器的访问方法存在差异，为了屏蔽差异，内核定义了中断控制器描述符irq_chip，每种中断控制器自定义各种操作函数。GIC V2控制器的描述符如下:

static struct irq_chip gic_chip = {
    .irq_mask		= gic_mask_irq,
    .irq_unmask		= gic_unmask_irq,
    .irq_eoi		= gic_eoi_irq,
    .irq_set_type		= gic_set_type,
    .irq_get_irqchip_state	= gic_irq_get_irqchip_state,
    .irq_set_irqchip_state	= gic_irq_set_irqchip_state,
    .flags			= IRQCHIP_SET_TYPE_MASKED |
        IRQCHIP_SKIP_SET_WAKE |
        IRQCHIP_MASK_ON_SUSPEND,
};

1. `irq_mask`

描述: 指向函数 gic_mask_irq，用于屏蔽指定的中断。
功能: 当某个中断不需要被响应时，通过调用该函数屏蔽中断。

2. `irq_unmask`

描述: 指向函数 gic_unmask_irq，用于取消屏蔽某个中断。
功能: 重新启用被屏蔽的中断，使其能够被处理。

3. `irq_eoi`

描述: 指向函数 gic_eoi_irq，用于发出 End of Interrupt (EOI) 信号。
功能: 通知 GIC 当前中断处理完成，通常在中断服务程序（ISR）末尾调用。

4. `irq_set_type`

描述: 指向函数 gic_set_type，用于设置中断触发类型。
功能: 配置中断是边沿触发还是电平触发，以及上升沿、下降沿等模式。

5. `irq_get_irqchip_state`

描述: 指向函数 gic_irq_get_irqchip_state，用于获取中断控制器的状态信息。
功能: 允许查询中断的当前状态，例如是否处于挂起状态。

6. `irq_set_irqchip_state`

描述: 指向函数 gic_irq_set_irqchip_state，用于设置中断控制器的状态。
功能: 用于操作中断状态，例如设置中断为活动状态或挂起状态。

7. `flags`

描述: flags 定义了中断控制器的属性，以下是具体标志位的含义：
- **IRQCHIP_SET_TYPE_MASKED**:
  - 配置中断触发类型时，必须先屏蔽中断。
- **IRQCHIP_SKIP_SET_WAKE**:
  - 跳过设置唤醒功能（即不支持 set_wake 操作）。
- **IRQCHIP_MASK_ON_SUSPEND**:
  - 系统挂起时自动屏蔽中断。

该 gic_chip 是 Linux 内核中用于描述 GIC 的 irq_chip 实现。它定义了 GIC 的基本操作（如屏蔽、解除屏蔽、EOI 等）和属性，内核通过调用这些函数实现对 GIC 的控制。该结构体最终会与具体的中断（如外部设备中断）绑定，以完成中断管理和调度。

中断域

一个大型系统可能有多个中断控制器，这些中断控制器可以级联，一个中断控制器作为中断源连接到另一个中断控制器，但只有一个中断控制器作为根控制器直接连接到处理器。为把每个中断控制器本地的硬件中断号映射到全局唯一的Linux中断号（也称为虚拟中断号），内核定义了中断域irq_domain，每个中断控制器有自己的中断域。

struct irq_domain {
	struct list_head link;
	const char *name;
	const struct irq_domain_ops *ops;
	void *host_data;
	unsigned int flags;

	/* Optional data */
	struct fwnode_handle *fwnode;
	enum irq_domain_bus_token bus_token;
	struct irq_domain_chip_generic *gc;
#ifdef	CONFIG_IRQ_DOMAIN_HIERARCHY
	struct irq_domain *parent;
#endif

	/* reverse map data. The linear map gets appended to the irq_domain */
	irq_hw_number_t hwirq_max;
	unsigned int revmap_direct_max_irq;
	unsigned int revmap_size;
	struct radix_tree_root revmap_tree;
	unsigned int linear_revmap[];
};

创建中断域

中断控制器的驱动程序使用分配函数irq_domain_add_*()创建和注册中断域。每种映射方法提供不同的分配函数，调用者必须给分配函数提供irq_domain_ops结构体，分配函数在执行成功的时候返回irq_domain的指针。

中断域支持以下映射方法：

- 线性映射；
- 树映射；
- 不映射；

线性映射（linear map）

线性映射维护一个固定大小的表，索引是硬件中断号。如果硬件中断号的最大数量是固定的，并且比较小(小于256)，那么线性映射是好的选择。对于线性映射,分配中断域的函数如下:

/**
 * irq_domain_add_linear() - Allocate and register a linear revmap irq_domain.
 * @of_node: pointer to interrupt controller's device tree node.
 * @size: Number of interrupts in the domain.
 * @ops: map/unmap domain callbacks
 * @host_data: Controller private data pointer
 */
static inline struct irq_domain *irq_domain_add_linear(struct device_node *of_node,
					 unsigned int size,
					 const struct irq_domain_ops *ops,
					 void *host_data)
{
	return __irq_domain_add(of_node_to_fwnode(of_node), size, size, 0, ops, host_data);
}

树映射（tree map）

树映射使用基数树(radix tree)保存硬件中断号到Linux中断号的映射。为什么不使用红黑树呢？如果硬件中断号可能非常大,那么树映射是好的选择,因为不需要根据最大硬件中断号分配一个很大的表。对于树映射,分配中断域的函数如下:

static inline struct irq_domain *irq_domain_add_tree(struct device_node *of_node,
					 const struct irq_domain_ops *ops,
					 void *host_data)
{
	return __irq_domain_add(of_node_to_fwnode(of_node), 0, ~0, 0, ops, host_data);
}

不映射（no map）

有些中断控制器很强,硬件中断号是可以配置的,例如PowerPC架构使用的MPIC(Multi-Processor Interrupt Controller)。我们直接把Linux中断号写到硬件,硬件中断号就是Linux中断号,不需要映射。对于不映射,分配中断域的的函数如下:

static inline struct irq_domain *irq_domain_add_nomap(struct device_node *of_node,
					 unsigned int max_irq,
					 const struct irq_domain_ops *ops,
					 void *host_data)
{
	return __irq_domain_add(of_node_to_fwnode(of_node), 0, max_irq, max_irq, ops, host_data);
}

分配函数把主要工作委托给函数_irq_domain_add()。函数_irq_domain_add()的执行过程是:分配一个irq_domain结构体,初始化成员,然后把中断域添加到全局链表irq_domain_list中。

创建映射

创建中断域以后,需要向中断域添加硬件中断号到Linux中断号的映射,内核提供了函数irq_create_mapping:

/**
 * irq_create_mapping() - Map a hardware interrupt into linux irq space
 * @domain: domain owning this hardware interrupt or NULL for default domain
 * @hwirq: hardware irq number in that domain space
 *
 * Only one mapping per hardware interrupt is permitted. Returns a linux
 * irq number.
 * If the sense/trigger is to be specified, set_irq_type() should be called
 * on the number returned from that call.
 */
unsigned int irq_create_mapping(struct irq_domain *domain,
				irq_hw_number_t hwirq)

输入参数是中断域和硬件中断号,返回Linux中断号。该函数首先分配Linux中断号,然后把硬件中断号到Linux中断号的映射添加到中断域。

查找映射

中断处理程序需要根据硬件中断号查找Linux中断号,内核提供了函数 irq_find_mapping:

/**
 * irq_find_mapping() - Find a linux irq from an hw irq number.
 * @domain: domain owning this hardware interrupt
 * @hwirq: hardware irq number in that domain space
 */
unsigned int irq_find_mapping(struct irq_domain *domain,
			      irq_hw_number_t hwirq)

输入参数是中断域和硬件中断号,返回Linux中断号。