SylixOS中GIC通用中断控制器——GIC简介

Posted 2020-08-30

1. GIC简介

操作系统中，中断是很重要的组成部分。有了中断系统才可以不用一直轮询（polling）是否有事件发生，系统效率才得以提高。一般在系统中，中断控制分为三个部分：模块、中断控制器和处理器。其中模块通常由寄存器控制是否使能中断和中断触发条件等；中断控制器可以管理中断的优先级等，而处理器则由寄存器设置用来响应中断。

1.1 GIC结构

作为 ARM 系统中通用中断控制器的是 GIC（Generic Interrupt Controller），目前有四个版本，V1～V4(V2最多支持8个ARM core，V3/V4支持更多的ARM core，主要用于ARM64系统结构）。本文主要描述的是GIC-400，它更适合嵌入式系统，符合v2版本的GIC architecture specification。GIC-400通过AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）片上总线连接到一个或者多个ARM处理器上。

图 1.1 GIC中断控制器全局图

从图 1.1中可以看出， GIC 是联系外设中断和 CPU 的桥梁，也是各 CPU 之间中断互联的通道（也带有管理功能），它负责检测、管理、分发中断，可以做到：

1、使能或禁止中断；

2、把中断分组到Group0还是Group1（Group0作为安全模式使用连接FIQ  ，Group1 作为非安全模式使用，连接IRQ ）；

3、多核系统中将中断分配到不同处理器上；

4、设置电平触发还是边沿触发方式（不等于外设的触发方式）；

5、虚拟化扩展。

ARM CPU 对外的连接只有2 个中断： IRQ和FIQ ，相对应的处理模式分别是一般中断（IRQ ）处理模式和快速中断（FIQ ）处理模式。所以GIC 最后要把中断汇集成2 条线，与CPU 对接。

从图 1.2可以看出， GIC 可以清晰的划分成两个部分：分发器( Distributor )和 CPU 接口(CPU Interface )。

图 1.2 GIC中断控制器结构

其中各个子中断使能，设置触发方式，优先级排序，分发到哪个 CPU 上这些功能由分发器负责；总的中断的使能，状态的维护由接口负责。

 

1.1.1 分发器功能

分发器的主要的作用是检测各个中断源的状态，控制各个中断源的行为，分发各个中断源产生的中断事件到指定的一个或者多个CPU接口上。虽然分发器可以管理多个中断源，但是它总是把优先级最高的那个中断请求送往CPU接口。分发器对中断的控制包括：

（a）中断使能或禁能控制。分发器对中断的控制分成两个级别，一个是全局中断的控制（GIC_DIST_CTRL），一旦禁能了全局的中断，那么任何的中断源产生的中断事件都不会被传递到CPU接口；另外一个级别是对针对各个中断源进行控制（GIC_DIST_ENABLE_CLEAR），禁能某一个中断源会导致该中断事件不会分发到CPU接口，但不影响其他中断源产生中断事件的分发。

（b）控制将当前优先级最高的中断事件分发到一个或者一组CPU接口。

（c）优先级控制。

（d）中断属性设定，例如是电平触发还是边沿触发。

（e）中断的设定。

分发器可以管理若干个中断源，这些中断源用ID来标识，我们称之interrupt ID。 

 

1.1.2 CPU接口功能

CPU接口主要用于和CPU进行接口。主要功能包括：

（a）使能或者禁能CPU接口向连接的CPU提交中断事件。对于ARM，CPU接口和CPU之间的中断信号线是nIRQCPU和nFIQCPU。如果禁能了中断，那么即便是分发器分发了一个中断事件到CPU接口，但是也不会提交指定的nIRQ或者nFIQ通知CPU。

（b）ackowledging中断。CPU会向CPU接口应答中断，中断一旦被应答，分发器就会把该中断的状态从pending状态修改成active，如果没有后续pending的中断，那么CPU接口就会deassert nIRQCPU和nFIQCPU信号线。如果在这个过程中又产生了新的中断，那么分发器就会把该中断的状态从pending状态修改成pending and active。此时，CPU接口仍然会保持nIRQ或者nFIQ信号的asserted状态，也就是向CPU通知下一个中断。

（c）中断处理完毕的通知。当中断处理器处理完了一个中断的时候，会向写CPU接口的寄存器从而通知GIC已经处理完该中断。做这个动作一方面是通知分发器将中断状态修改为deactive，另外一方面，可以允许其他的pending的中断向CPU接口提交。

（d）设定优先级掩码。通过优先级掩码可以mask掉一些优先级比较低的中断，这些中断不会通知到CPU。

（e）设定中断抢占的策略。

（f）在多个中断事件同时到来的时候，选择一个优先级最高的通知CPU。

 

1.3中断处理流程

中断的处理流程是：分发器把收集来的中断先缓存，依次把优先级最高的中断请求送往CPU接口，CPU读取一个中断，其实就是读取接口的一个寄存器，只不过这个寄存器存放的是中断号，此时中断的状态由pending转为active，CPU处理完了以后，将中断号写入GIC的接口，告诉GIC处理完了，可以将这个中断清理，如图1.3。

图 1.3 GIC中断处理流程图

 

 

1.4 GIC中断类型

GIC 中断类型有3种：SGI(Software-generated interrupt)、PPI(Private peripheral interrupt )、SPI(Shared peripheral interrupt)。

SGI: SGI为软件可以触发的中断，统一编号为0~15，用于各个core之间的通信。

PPI: PPI为每个 core 的私有外设中断，统一编号为 16-31 。例如每个 CPU 的 local timer 即 Arch Timer 产生的中断就是通过 PPI 发送给 CPU 的（安全为29，非安全为30）。

SPI: SPI 是系统的外设产生的中断，为各个 core 公用的中断，统一编号为 32~1019 ，如 global timer 、uart 、gpio 产生的中断。

2. 参考文档

文档类：

1．gic_architecture_specification.pdf

2．DDI0471B_gic400_r0p1_trm.pdf

3．IHI 0048B, ARM Generic Interrupt Controller Architecture Specification, Ver 2.0.pdf

网址链接：

1．http://www.wowotech.NET/linux_kenrel/gic_driver.html

2．http://blog.csdn.Net/velanjun/article/details/8757862

3．http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-linuxkernelint/index.html