【ARM系列】GICv3/v4-软件概述（二）

4.配置GIC

本章介绍如何在bare metal环境中启用和配置GICv3中断控制器，有关寄存器的详细说明，请参考文档 ARM® Generic Interrupt Controller Architecture Specification GIC architecture version 3.0 and 4。大多数使用GICv3中断控制器的系统都是多核系统或多处理器系统。有些配置属于全局性的，会影响所有PE，有些配置需要单独配置每个PE。

4.1 全局配置

主要配置的为GICD_CTLR寄存器，需要使能中断分组，设置路由模式。

• Enable Affinity routing (ARE bits)
  GICD_CTLR的ARE域段，用于控制是否使能亲和性路由。如果不使能的话，GICv3使用Legacy operation。在亲和性路由使能的情况下，安全和非安全状态下是分开控制的。
• Enables
  Group 0, Secure Group 1 and Non-secure Group 1的中断是独立使能的，只能使能对应的bit对应分组的中断才能由GIC发送给PE。

4.2 每个PE的配置

4.2.1 Redistributor的配置

复位时，Redistributor认为连接的PE处于睡眠状态，需要通过配置GICR_WAKER寄存器去唤醒对应的PE。软件应该按照如下流程进行操作：

• 清除 GICR_WAKER .ProcessorSleep ==0
• 轮询 GICR_WAKER .ChildrenAsleep，直到读出为0

使能和配置LPI中断在配置LPI章节单独描述。
当GICR_WAKER .ProcessorSleep=1或GICR_WAKER .ChildrenAsleep=1时，对系统寄存器操作会导致不可预测的行为(除了操作 ICC_SRE_ELn)

4.2.2 cpu interface的配置

CPU interface负责将中断传递到与其连接的PE。要启用CPU interface，软件必须配置以下内容：

• 使能系统寄存器访问
  GICv3架构中，软件通过系统寄存器的方式对cpu interface寄存器进行访问，需要配置ICC_SRE_ELn.SRE将系统寄存器访问使能
• 设置优先级门限和 binary point寄存器
  Priority Mask register（ICC_PMR_EL1）用于设置可以发送给PE的中断的最低优先级。和Binary Point registers（ICC_BPRn_EL1）用于中断分组和中断抢占
• 设置EOI模式
  ICC_CTLR_EL1和 ICC_CTLR_EL3中的EOImode 用于控制如何处理中断的完成
• 使能中断分组
  在CPU interface将每个中断分组的中断转发到PE之前，必须使能该中断分组。通过ICC_IGRPEN1_EL1设置Group 1中断，通过ICC_IGRPEN0_EL1设置Group 0中断。在EL3，软件可以通过ICC_IGRPEN1_EL3，访问安全Group 1中断和非安全Group 1中断的使能。

4.2.3 PE的配置

需要对PE进行部分配置，以便PE可以接收并处理中断。这里只介绍ARMv8-A在AArch64状态下执行的PE所需的基本步骤。

• 路由控制
  路由控制位决定中断被送到哪个异常等级处理，可以通过配置 SCR_EL3 和 HCR_EL2 实现。
• 中断屏蔽
  PE的PSTATE中存在异常屏蔽位，当对应bit被置位，此类中断会被屏蔽。
• Vector table
  VBAR_ELn存放vector table的地址，复位时，该寄存器的值是未知的，因此必须使用软件将VBAR_ELn寄存器设置为指向Vector table

4.3 SPI/PPI/SGI的配置

通过配置Distributor的GICD_寄存器产生SPI中断，配置Redistributors的GICR_ 寄存器产生PPI和SGI中断。对于每个INTID都需要配置如下几项：

• 中断优先级 （GICD_IPRIORITYn 或 GICR_IPRIORITYn）
  每个INTID都有对应的优先级，使用8位无符号数表示，其中0x00是最高优先级，oxFF为最低优先级。第5章描述了GICD_IPRIORITYn和GICR_IPRIORITYn中的优先级值是如何屏蔽低优先级中断，以及如何控制抢占的。

• 中断分组（GICD_IGROUPn, GICD_IGRPMODn, GICR_IGROUP0, GICR_IGRPMOD0）
  每个INTID都可以配置成 Group 0, Secure Group 1 或 Non-secure Group 1中的一种。
  

• 中断触发方式（GICD_ICFGRn, GICR_ICFGRn）
  如果中断是通过物理信号的形式发送的，那么需要将其触发方式配置成边沿触发或电平敏感型。SGI中断一直是边沿触发的，因此GICR_ICFGR0寄存器是RAO/WI的。

• 中断使能（GICD_ISENABLERn, GICD_ICENABLER, GICR_ISENABLER0, GICR_ICENABLER0）
  每个INIID都有一个使能位。设置启用寄存器和清除启用寄存器消除了“读取-修改-写入”例程的要求。

对于bare metal环境，在初始化完成后，通常不需要再进行改配。但是，如果必须重新配置中断，例如更改中断分组，建议首先禁用该特定INTID。大多数配置寄存器的复位值都是“执行定义”的，这意味着中断控制器的设计者决定值是什么，并且值可能在不同系统之间变化。

4.3.1 设置SPI中断的路由目标

对于SPI中断，中断的路由目标必须单独进行配置，具体是通过配置GICD_IROUTERn实现的。每一个SPI都对应一个GICD_IROUTERn，同时Interrupt_Routing_Mode（IRM）位控制采用哪种路由策略。

• IRM == 0
  SPI中断会路由到a.b.c.d指定的PE，在该路由中，a、b、c和d分别是字段Aff3、Aff2、Aff1和Aff0的值

• IRM == 1
  SPI可以被传递到参与中断组的分发的任何连接的PE。Distributor（而不是软件）选择目标PE，并且这可以在每次发出中断信号时发生变化。这种类型的路由被称为1-of-N

PE可以选择不接收1-of-N中断。这由GICR_CTLR中的DPG1S、DPG1NS和DPG0位控制

5.处理中断

5.1 当中断挂起时会发生什么

在GICv3/v4-软件概述（一）第3.2节中，描述了当中断源被断言时，中断状态会从Inactive -> pending。这通常是由于外设assert专用中断信号。

当中断变为Pending时，中断控制器决定是否将中断发送到PE。中断控制器选择的PE（如果有）取决于以下设置：

• Group Enable
  在GICv3/v4-软件概述（一）第3.4节中，我们知道每一个INITID都要分配到一个Group（Group 0, Secure Group 1 或 Non-secure Group 1），同时每一个Group在 Distributor和CPU interface中都对应一个Enable位，只有该使能位开启，中断才能发送给PE。
• Interrupt enables
  如果对应的中断屏蔽位没有使能，中断仍然可以变为Pending状态，但是不会传递给PE
• Routing controls
  根据中断的类型，中断控制器必须决定哪些PE可以接收中断。对于SPI，这由GICD_IROUTERn控制，SPI可以路由至特定的PE或者任何一个相连的PE。PPI只能路由到某个指定的PE且只能由该PE处理。对于SGI，在配置产生SGI中断的时候指定路由的目标。对于LPI，如果实现了ITS，则路由信息来自ITS
• Interrupt priority & priority mask
  每个PE在其cpu interface中都有一个优先级掩码寄存器（ICC_PMR_EL1），此寄存器设置了将中断转发到该PE所需的最低优先级，只有优先级高于寄存器中值的中断才会用信号发送到PE
• Running priority
  下文第5.4节描述了运行优先级的概念以及对中断抢占的影响。如果PE尚未处理中断，则运行优先级为空闲优先级（0xFF），只有优先级高于运行优先级的中断才能抢占当前中断。

5.2中断应答

cpu interface有两个IAR寄存器，读取IAR返回INTID，并推进中断状态机状态跳转。在典型的中断处理程序中，处理中断的第一步是读取其中一个IAR。

5.3 伪中断

在GICv3/v4-软件概述（一）第3.1.2节描述了INTID范围1020到1023是为特殊目而保留的。这些INTID可以通过读取IAR返回，并指示异常处理中的特殊场景

举例一：INITID 1021
在一个手机系统中有一个modem中断，该中断在即将来临电话时会被触发。该中断打算在Non-secure态的Rich OS进行处理。

1.当PE在Secure EL1执行Trusted OS时，modem中断变为挂起状态（即此时有电话进来）。由于modem中断被配置为 Non-secure Group 1，它将被作为FIQ发送中断；又因为SCR_EL3.FIQ=1，该中断会taken to EL3。
2.运行在EL3的Secure Monitor读取IAR寄存器，返回INITID为1021，表明该中断期望在Non-secure态进行处理。Secure Monitor会执行必要的切换上下文操作。
3.此时PE处于Non-secure态，它将被作为IRQ发送中断，又因为SCR_EL3.IRQ=0，该中断在Rich OS taken to Non-secure EL1处理

在上图所示的示例中，Non-secure Group 1的中断导致立即从Secure OS退出。这可能并不总是想要的。下图显示了一个替代模型，其中中断最初taken to Secure EL1

1.当PE在Secure EL1执行Trusted OS时，modem中断变为挂起状态（即此时有电话进来）。由于modem中断被配置为 Non-secure Group 1，它将被作为FIQ发送中断；又因为SCR_EL3.FIQ=0，该中断会taken to Secure EL1
2.Trusted OS保存好内部状态后，使用SMC指令准备陷入 Non-secure 态
3.SMC异常taken to EL3，运行在EL3的Secure Monitor软件会执行必要的切换上下文操作
4.此时PE处于Non-secure态，它将被作为IRQ发送中断，又因为SCR_EL3.IRQ=0，该中断在Rich OS taken to Non-secure EL1处理。

5.4 运行优先级和抢占

PMR设置中断转发到特定PE的最低优先级。GICv3体系结构具有运行优先级的概念，当PE应答中断时，其运行优先级变为中断的优先级，当PE写入其中一个EOI寄存器时，运行优先级返回到以前的值。

Running Priority register（ICC_PRP_EL1）记录了当前运行优先级的值。

运行优先级的概念在讨论中断抢占时比较重要。当PE正在处理低优先级中断时，此时接收到一个高优先级中断，会发生中断抢占。
当向已经在处理低优先级中断的PE发送高优先级中断信号时，就会发生抢占。抢占为软件引入了额外的复杂性，但它可以防止低优先级中断阻塞对高优先级中断的处理。

如下图不支持中断抢占，低优先级的中断会阻塞高优先级中断的处理，只有低优先级的中断处理完成后，才会执行后续的高优先级中断。

如下图支持中断抢占，低优先级的中断在执行过程中，当接收到高优先级中断时，会优先执行高优先级中断，高优先级中断处理完成后，会继续执行低优先级中断。
上图显示的为一层中断抢占的例子，实际情况可能有多层中断抢占，当然在某些情形，可能不需要支持中断抢占。 GICv3体系结构允许通过Binary Point registers（ICC_BPRn_EL1）控制抢占所需的优先级。
Binary Point registers将中断优先级拆分为两部分： group priority 和 subpriority

在考虑中断抢占时，只要关注Group priority。举例说明：
假设配置ICC_BPRn_EL1将优先级拆分成如下两部分，此时A可以抢占B和C，但是B不能抢占C，因为B和C有相同的Group Priority。

Note：中断抢占要求中断处理程序必须支持嵌套。详细内容不在此讨论，请查阅其他资料

5.5中断结束

当中断完成处理后，软件必须通知中断控制器已经完成中断处理，以便状态机可以转换到下一个状态。GICv3体系结构分两步执行：

• Priority drop
  将运行优先级降回处理中断之前的值。

• Deactivation
  更新当前被处理中断的状态机。通常此时会由 Active -> Inactive。

在GICv3架构中， Priority drop 和 Deactivation可以独立进行或合并在一起执行，可以通过控制 ICC_CTLR_ELn.EOImode实现。

• EOImode = 0
  ICC_EOIR0_EL1（Group 0）和ICC_EOIR1_EL1（Group 1），此时Priority drop 和 Deactivation会一起执行。这种配置通常适用于bare metal环境。

• EOImode = 1
  ICC_EOIR0_EL1（Group 0）和ICC_EOIR1_EL1（Group 1）会单独执行Priority drop；再次配置ICC_DIR_EL1会完成Deactivation。这种配置经常用于虚拟化

5.6检查系统当前状态

5.6.1 最高优先级的Pending中断和运行优先级

正如名称所表示的，Highest Priority Pending Interrupt registers（ICC_HPPIR0_EL1 & ICC_HPPIR1_EL1）记录了该PE上挂起的最高优先级中断的中断号（INTID）。
运行优先级记录在ICC_RPR_EL1寄存器中。

5.6.2 单个中断的状态

SPI中断的状态记录在GICD_*中，PPI和SGI中断的状态记录在GICR_*中。通过这些寄存器还可以将中断直接转换到某种状态。在没有外设的情况下，通过这些寄存器可以很方便的测试配置的正确性。下表为active状态寄存器的描述，pending寄存器与此类似。

7.发送和接收SGI

通过配置cpu interface的系统寄存器产生SGI中断。

7.1中断的产生

寄存器的格式：

SGI ID：表示软中断号，范围0-15
IRM：SGI的路由方式(Interrupt Routing Mode)
···0x0：该中断支持路由给{Aff3，Aff2，Aff1，Target list}，target List表示每个aff0上的节点。这意味着，该中断最多可以发送给16个PE
···0x1：该中断可以路由给除本身之外，所有连接着的PE

ICC_SGI0R_EL1, ICC_SGI1R_EL1, or ICC_ASGIR_EL1用于控制安全状态，该寄存器由发起中断的PE进行配置，ICC_SGI0R_EL1用于产生Group 0中断，ICC_SGI1R_EL1用于产生安全Group 1中断，ICC_ASGIR_EL1用于产生非安全Group 1中断。

GICR_IGROUPR0 和 GICR_IGRPMODR0 用于控制中断目标PE的中断分组

7.2 中断的安全和分组

在Secure下执行的软件可以发送Secure / Non-Secure SGI。
在Non-Secure下执行的软件是否能够生成Secure SGI 受GICR_NSACR控制。只有在安全状态下执行的软件才能访问此寄存器。

下表显示了发出中断的PE的Secure状态、SGI寄存器和中断目标PE的配置的多种组合，以及该是否可以转发