背景 Read the fucking source code! --By 魯迅 A picture is worth a thousand words. --By 高爾基說明： Kernel版本：4.14 ARM64處理器，Contex-A53，雙核使用工具：Source Insight 3. ...

背景

Read the fucking source code! --By 魯迅
A picture is worth a thousand words. --By 高爾基

說明：

Kernel版本：4.14
ARM64處理器，Contex-A53，雙核
使用工具：Source Insight 3.5， Visio

1. 概述

從這篇文章開始，來聊一聊中斷子系統。
中斷是處理器用於非同步處理外圍設備請求的一種機制，可以說中斷處理是操作系統管理外圍設備的基石，此外系統調度、核間交互等都離不開中斷，它的重要性不言而喻。

來一張概要的分層圖：

硬體層：最下層為硬體連接層，對應的是具體的外設與SoC的物理連接，中斷信號是從外設到中斷控制器，由中斷控制器統一管理，再路由到處理器上；
硬體相關層：這個層包括兩部分代碼，一部分是架構相關的，比如ARM64處理器處理中斷相關，另一部分是中斷控制器的驅動代碼；
通用層：這部分也可以認為是框架層，是硬體無關層，這部分代碼在所有硬體平臺上是通用的；
用戶層：這部分也就是中斷的使用者了，主要是各類設備驅動，通過中斷相關介面來進行申請和註冊，最終在外設觸發中斷時，進行相應的回調處理；

中斷子系統系列文章，會包括硬體相關、中斷框架層、上半部與下半部、Softirq、Workqueue等機制的介紹，本文會先介紹硬體相關的原理及驅動，前戲結束，直奔主題。

2. GIC硬體原理

ARM公司提供了一個通用的中斷控制器GIC（Generic Interrupt Controller），GIC的版本包括V1 ~ V4，由於本人使用的SoC中的中斷控制器是V2版本，本文將圍繞GIC-V2來展開介紹；

來一張功能版的框圖：

GIC-V2從功能上說，除了常用的中斷使能、中斷屏蔽、優先順序管理等功能外，還支持安全擴展、虛擬化等；
GIC-V2從組成上說，主要分為Distributor和CPU Interface兩個模塊，Distributor主要負責中斷源的管理，包括優先順序的處理，屏蔽、搶占等，並將最高優先順序的中斷分發給CPU Interface，CPU Interface主要用於連接處理器，與處理器進行交互；
Virtual Distributor和Virtual CPU Interface都與虛擬化相關，本文不深入分析；

再來一張細節圖看看Distributor和CPU Interface的功能：

GIC-V2支持三種類型的中斷：
1. SGI(software-generated interrupts)：軟體產生的中斷，主要用於核間交互，內核中的IPI：inter-processor interrupts就是基於SGI，中斷號ID0 - ID15用於SGI；
2. PPI(Private Peripheral Interrupt)：私有外設中斷，每個CPU都有自己的私有中斷，典型的應用有local timer，中斷號ID16 - ID31用於PPI；
3. SPI(Shared Peripheral Interrupt)：共用外設中斷，中斷產生後，可以分發到某一個CPU上，中斷號ID32 - ID1019用於SPI，ID1020 - ID1023保留用於特殊用途；
Distributor功能：
1. 全局開關控制Distributor分發到CPU Interface；
2. 打開或關閉每個中斷；
3. 設置每個中斷的優先順序；
4. 設置每個中斷將路由的CPU列表；
5. 設置每個外設中斷的觸發方式：電平觸發、邊緣觸發；
6. 設置每個中斷的Group：Group0或Group1，其中Group0用於安全中斷，支持FIQ和IRQ，Group1用於非安全中斷，只支持IRQ；
7. 將SGI中斷分發到目標CPU上；
8. 每個中斷的狀態可見；
9. 提供軟體機制來設置和清除外設中斷的pending狀態；
CPU Interface功能：
1. 使能中斷請求信號到CPU上；
2. 中斷的確認；
3. 標識中斷處理的完成；
4. 為處理器設置中斷優先順序掩碼；
5. 設置處理器的中斷搶占策略；
6. 確定處理器的最高優先順序pending中斷；

中斷處理的狀態機如下圖：

Inactive：無中斷狀態；
Pending：硬體或軟體觸發了中斷，但尚未傳遞到目標CPU，在電平觸發模式下，產生中斷的同時保持pending狀態；
Active：發生了中斷並將其傳遞給目標CPU，並且目標CPU可以處理該中斷；
Active and pending：發生了中斷並將其傳遞給目標CPU，同時發生了相同的中斷並且該中斷正在等待處理；

GIC檢測中斷流程如下：

GIC捕獲中斷信號，中斷信號assert，標記為pending狀態；
Distributor確定好目標CPU後，將中斷信號發送到目標CPU上，同時，對於每個CPU，Distributor會從pending信號中選擇最高優先順序中斷發送至CPU Interface；
CPU Interface來決定是否將中斷信號發送至目標CPU；
CPU完成中斷處理後，發送一個完成信號EOI(End of Interrupt)給GIC；

3. GIC驅動分析

3.1 設備信息添加

ARM平臺的設備信息，都是通過Device Tree設備樹來添加，設備樹信息放置在arch/arm64/boot/dts/下

下圖就是一個中斷控制器的設備樹信息：

compatible欄位：用於與具體的驅動來進行匹配，比如圖片中arm, gic-400，可以根據這個名字去匹配對應的驅動程式；
interrupt-cells欄位：用於指定編碼一個中斷源所需要的單元個數，這個值為3。比如在外設在設備樹中添加中斷信號時，通常能看到類似interrupts = <0 23 4>;的信息，第一個單元0，表示的是中斷類型（1：PPI，0：SPI），第二個單元23表示的是中斷號，第三個單元4表示的是中斷觸發的類型；
reg欄位：描述中斷控制器的地址信息以及地址範圍，比如圖片中分別制定了GIC Distributor（GICD）和GIC CPU Interface（GICC）的地址信息；
interrupt-controller欄位：表示該設備是一個中斷控制器，外設可以連接在該中斷控制器上；
關於設備數的各個欄位含義，詳細可以參考Documentation/devicetree/bindings下的對應信息；

設備樹的信息，是怎麼添加到系統中的呢？Device Tree最終會編譯成dtb文件，並通過Uboot傳遞給內核，在內核啟動後會將dtb文件解析成device_node結構。關於設備樹的相關知識，本文先不展開，後續再找機會補充。來一張圖，先簡要介紹下關鍵路徑：

設備樹的節點信息，最終會變成device_node結構，在記憶體中維持一個樹狀結構；
設備與驅動，會根據compatible欄位進行匹配；

3.2 驅動流程分析

GIC驅動的執行流程如下圖所示：

首先需要瞭解一下鏈接腳本vmlinux.lds，腳本中定義了一個__irqchip_of_table段，該段用於存放中斷控制器信息，用於最終來匹配設備；
在GIC驅動程式中，使用IRQCHIP_DECLARE巨集來聲明結構信息，包括compatible欄位和回調函數，該巨集會將這個結構放置到__irqchip_of_table欄位中；
在內核啟動初始化中斷的函數中，of_irq_init函數會去查找設備節點信息，該函數的傳入參數就是__irqchip_of_table段，由於IRQCHIP_DECLARE已經將信息填充好了，of_irq_init函數會根據arm,gic-400去查找對應的設備節點，並獲取設備的信息。中斷控制器也存在級聯的情況，of_irq_init函數中也處理了這種情況；
or_irq_init函數中，最終會回調IRQCHIP_DECLARE聲明的回調函數，也就是gic_of_init，而這個函數就是GIC驅動的初始化入口函數了；
GIC的工作，本質上是由中斷信號來驅動，因此驅動本身的工作就是完成各類信息的初始化，註冊好相應的回調函數，以便能在信號到來之時去執行；
set_smp_process_call設置__smp_cross_call函數指向gic_raise_softirq，本質上就是通過軟體來觸發GIC的SGI中斷，用於核間交互；
cpuhp_setup_state_nocalls函數，設置好CPU進行熱插拔時GIC的回調函數，以便在CPU熱插拔時做相應處理；
set_handle_irq函數的設置很關鍵，它將全局函數指針handle_arch_irq指向了gic_handle_irq，而處理器在進入中斷異常時，會跳轉到handle_arch_irq執行，所以，可以認為它就是中斷處理的入口函數了；
驅動中完成了各類函數的註冊，此外還完成了irq_chip, irq_domain等結構體的初始化，這些結構在下文會進一步分析；
最後，完成GIC硬體模塊的初始化設置，以及電源管理相關的註冊等工作；

3.3 數據結構分析

先來張圖：

GIC驅動中，使用struct gic_chip_data結構體來描述GIC控制器的信息，整個驅動都是圍繞著該結構體的初始化，驅動中將函數指針都初始化好，實際的工作是由中斷信號觸發，也就是在中斷來臨的時候去進行回調；
struct irq_chip結構，描述的是中斷控制器的底層操作函數集，這些函數集最終完成對控制器硬體的操作；
struct irq_domain結構，用於硬體中斷號和Linux IRQ中斷號（virq，虛擬中斷號）之間的映射；

還是上一下具體的數據結構代碼吧，關鍵註釋如下：

struct irq_chip {
	struct device	*parent_device;     //指向父設備
	const char	*name;      //  /proc/interrupts中顯示的名字
	unsigned int	(*irq_startup)(struct irq_data *data);  //啟動中斷，如果設置成NULL，則預設為enable
	void		(*irq_shutdown)(struct irq_data *data);     //關閉中斷，如果設置成NULL，則預設為disable
	void		(*irq_enable)(struct irq_data *data);   //中斷使能，如果設置成NULL，則預設為chip->unmask
	void		(*irq_disable)(struct irq_data *data);  //中斷禁止

	void		(*irq_ack)(struct irq_data *data);  //開始新的中斷
	void		(*irq_mask)(struct irq_data *data); //中斷源屏蔽
	void		(*irq_mask_ack)(struct irq_data *data); //應答並屏蔽中斷
	void		(*irq_unmask)(struct irq_data *data);   //解除中斷屏蔽
	void		(*irq_eoi)(struct irq_data *data);  //中斷處理結束後調用

	int		(*irq_set_affinity)(struct irq_data *data, const struct cpumask *dest, bool force); //在SMP中設置CPU親和力
	int		(*irq_retrigger)(struct irq_data *data);    //重新發送中斷到CPU
	int		(*irq_set_type)(struct irq_data *data, unsigned int flow_type); //設置中斷觸發類型
	int		(*irq_set_wake)(struct irq_data *data, unsigned int on);    //使能/禁止電源管理中的喚醒功能

	void		(*irq_bus_lock)(struct irq_data *data); //慢速晶元匯流排上的鎖
	void		(*irq_bus_sync_unlock)(struct irq_data *data);  //同步釋放慢速匯流排晶元的鎖

	void		(*irq_cpu_online)(struct irq_data *data);
	void		(*irq_cpu_offline)(struct irq_data *data);

	void		(*irq_suspend)(struct irq_data *data);
	void		(*irq_resume)(struct irq_data *data);
	void		(*irq_pm_shutdown)(struct irq_data *data);

	void		(*irq_calc_mask)(struct irq_data *data);

	void		(*irq_print_chip)(struct irq_data *data, struct seq_file *p);
	int		(*irq_request_resources)(struct irq_data *data);
	void		(*irq_release_resources)(struct irq_data *data);

	void		(*irq_compose_msi_msg)(struct irq_data *data, struct msi_msg *msg);
	void		(*irq_write_msi_msg)(struct irq_data *data, struct msi_msg *msg);

	int		(*irq_get_irqchip_state)(struct irq_data *data, enum irqchip_irq_state which, bool *state);
	int		(*irq_set_irqchip_state)(struct irq_data *data, enum irqchip_irq_state which, bool state);

	int		(*irq_set_vcpu_affinity)(struct irq_data *data, void *vcpu_info);

	void		(*ipi_send_single)(struct irq_data *data, unsigned int cpu);
	void		(*ipi_send_mask)(struct irq_data *data, const struct cpumask *dest);

	unsigned long	flags;
};

struct irq_domain {
	struct list_head link;  //用於添加到全局鏈表irq_domain_list中
	const char *name;   //IRQ domain的名字
	const struct irq_domain_ops *ops;   //IRQ domain映射操作函數集
	void *host_data;    //在GIC驅動中，指向了irq_gic_data
	unsigned int flags; 
	unsigned int mapcount;  //映射中斷的個數

	/* 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;  //支持級聯的話，指向父設備
#endif
#ifdef CONFIG_GENERIC_IRQ_DEBUGFS
	struct dentry		*debugfs_file;
#endif

	/* reverse map data. The linear map gets appended to the irq_domain */
	irq_hw_number_t hwirq_max;  //IRQ domain支持中斷數量的最大值
	unsigned int revmap_direct_max_irq;
	unsigned int revmap_size;   //線性映射的大小
	struct radix_tree_root revmap_tree; //Radix Tree映射的根節點
	unsigned int linear_revmap[];   //線性映射用到的查找表
};

struct irq_domain_ops {
	int (*match)(struct irq_domain *d, struct device_node *node,
		     enum irq_domain_bus_token bus_token);      // 用於中斷控制器設備與IRQ domain的匹配
	int (*select)(struct irq_domain *d, struct irq_fwspec *fwspec,
		      enum irq_domain_bus_token bus_token);
	int (*map)(struct irq_domain *d, unsigned int virq, irq_hw_number_t hw);    //用於硬體中斷號與Linux中斷號的映射
	void (*unmap)(struct irq_domain *d, unsigned int virq);
	int (*xlate)(struct irq_domain *d, struct device_node *node,
		     const u32 *intspec, unsigned int intsize,
		     unsigned long *out_hwirq, unsigned int *out_type);     //通過device_node，解析硬體中斷號和觸發方式

#ifdef	CONFIG_IRQ_DOMAIN_HIERARCHY
	/* extended V2 interfaces to support hierarchy irq_domains */
	int (*alloc)(struct irq_domain *d, unsigned int virq,
		     unsigned int nr_irqs, void *arg);
	void (*free)(struct irq_domain *d, unsigned int virq,
		     unsigned int nr_irqs);
	void (*activate)(struct irq_domain *d, struct irq_data *irq_data);
	void (*deactivate)(struct irq_domain *d, struct irq_data *irq_data);
	int (*translate)(struct irq_domain *d, struct irq_fwspec *fwspec,
			 unsigned long *out_hwirq, unsigned int *out_type);
#endif
};

3.3.1 IRQ domain

IRQ domain用於將硬體的中斷號，轉換成Linux系統中的中斷號（virtual irq, virq），來張圖：

每個中斷控制器都對應一個IRQ Domain；
中斷控制器驅動通過irq_domain_add_*()介面來創建IRQ Domain；
IRQ Domain支持三種映射方式：linear map（線性映射），tree map（樹映射），no map（不映射）；
1. linear map：維護固定大小的表，索引是硬體中斷號，如果硬體中斷最大數量固定，並且數值不大，可以選擇線性映射；
2. tree map：硬體中斷號可能很大，可以選擇樹映射；
3. no map：硬體中斷號直接就是Linux的中斷號；

三種映射的方式如下圖：

圖中描述了三個中斷控制器，對應到三種不同的映射方式；
各個控制器的硬體中斷號可以一樣，最終在Linux內核中映射的中斷號是唯一的；

4. Arch-speicific代碼分析

中斷也是異常模式的一種，當外設觸發中斷時，處理器會切換到特定的異常模式進行處理，而這部分代碼都是架構相關的；ARM64的代碼位於arch/arm64/kernel/entry.S。
ARM64處理器有四個異常級別Exception Level：0~3，EL0級對應用戶態程式，EL1級對應操作系統內核態，EL2級對應Hypervisor，EL3級對應Secure Monitor；
異常觸發時，處理器進行切換，並且跳轉到異常向量表開始執行，針對中斷異常，最終會跳轉到irq_handler中；

代碼比較簡單，如下：

/*
 * Interrupt handling.
 */
	.macro	irq_handler
	ldr_l	x1, handle_arch_irq
	mov	x0, sp
	irq_stack_entry
	blr	x1
	irq_stack_exit
	.endm

來張圖：

中斷觸發，處理器去異常向量表找到對應的入口，比如EL0的中斷跳轉到el0_irq處，EL1則跳轉到el1_irq處；
在GIC驅動中，會調用set_handle_irq介面來設置handle_arch_irq的函數指針，讓它指向gic_handle_irq，因此中斷觸發的時候會跳轉到gic_handle_irq處執行；
gic_handle_irq函數處理時，分為兩種情況，一種是外設觸發的中斷，硬體中斷號在16 ~ 1020之間，一種是軟體觸發的中斷，用於處理器之間的交互，硬體中斷號在16以內；
外設觸發中斷後，根據irq domain去查找對應的Linux IRQ中斷號，進而得到中斷描述符irq_desc，最終也就能調用到外設的中斷處理函數了；

GIC和Arch相關的介紹就此打住，下一篇文章會接著介紹通用的中斷處理框架，敬請期待。

參考

ARM Generic Interrupt Controller Architecture version 2.0

歡迎關註公眾號，不定期更新Linux內核機制相關文章，謝謝。

【原創】Linux中斷子系統（一）-中斷控制器及驅動分析

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