深入分析Linux中断子系统之中断控制器及驱动

　　说明：Kernel版本：4.14  ARM64处理器，Contex-A53，双核  使用工具：Source Insight 3.5， Visio  1. 概述
　　从这篇文章开始，来聊一聊中断子系统。中断是处理器用于异步处理外围设备请求的一种机制，可以说中断处理是操作系统管理外围设备的基石，此外系统调度、核间交互等都离不开中断，它的重要性不言而喻。
　　来一张概要的分层图：
　　硬件层：最下层为硬件连接层，对应的是具体的外设与SoC的物理连接，中断信号是从外设到中断控制器，由中断控制器统一管理，再路由到处理器上；  硬件相关层：这个层包括两部分代码，一部分是架构相关的，比如ARM64处理器处理中断相关，另一部分是中断控制器的驱动代码；  通用层：这部分也可以认为是框架层，是硬件无关层，这部分代码在所有硬件平台上是通用的；  用户层：这部分也就是中断的使用者了，主要是各类设备驱动，通过中断相关接口来进行申请和注册，最终在外设触发中断时，进行相应的回调处理；
　　中断子系统系列文章，会包括硬件相关、中断框架层、上半部与下半部、Softirq、Workqueue等机制的介绍，本文会先介绍硬件相关的原理及驱动，前戏结束，直奔主题。 2. GIC硬件原理ARM公司提供了一个通用的中断控制器 GIC（Generic Interrupt Controller） ，GIC 的版本包括V1 ~ V4 ，由于本人使用的SoC中的中断控制器是V2 版本，本文将围绕GIC-V2 来展开介绍；
　　来一张功能版的框图：
　　GIC-V2 从功能上说，除了常用的中断使能、中断屏蔽、优先级管理等功能外，还支持安全扩展、虚拟化等； GIC-V2 从组成上说，主要分为Distributor 和CPU Interface 两个模块，Distributor 主要负责中断源的管理，包括优先级的处理，屏蔽、抢占等，并将最高优先级的中断分发给CPU Interface ，CPU Interface 主要用于连接处理器，与处理器进行交互； Virtual Distributor 和Virtual CPU Interface 都与虚拟化相关，本文不深入分析；
　　再来一张细节图看看Distributor 和CPU Interface 的功能：
　　GIC-V2 支持三种类型的中断： SGI(software-generated interrupts) ：软件产生的中断，主要用于核间交互，内核中的IPI：inter-processor interrupts 就是基于SGI ，中断号ID0 - ID15 用于SGI ； PPI(Private Peripheral Interrupt) ：私有外设中断，每个CPU都有自己的私有中断，典型的应用有local timer ，中断号ID16 - ID31 用于PPI ； SPI(Shared Peripheral Interrupt) ：共享外设中断，中断产生后，可以分发到某一个CPU上，中断号ID32 - ID1019 用于SPI ，ID1020 - ID1023 保留用于特殊用途； Distributor 功能： 全局开关控制 Distributor 分发到CPU Interface ； 打开或关闭每个中断；  设置每个中断的优先级；  设置每个中断将路由的CPU列表；  设置每个外设中断的触发方式：电平触发、边缘触发；  设置每个中断的Group：Group0或Group1，其中Group0用于安全中断，支持FIQ和IRQ，Group1用于非安全中断，只支持IRQ；  将 SGI 中断分发到目标CPU上； 每个中断的状态可见；  提供软件机制来设置和清除外设中断的pending状态；  CPU Interface 功能： 使能中断请求信号到CPU上；  中断的确认；  标识中断处理的完成；  为处理器设置中断优先级掩码；  设置处理器的中断抢占策略；  确定处理器的最高优先级pending中断；
　　中断处理的状态机如下图：
　　Inactive ：无中断状态； Pending ：硬件或软件触发了中断，但尚未传递到目标CPU，在电平触发模式下，产生中断的同时保持pending 状态； Active ：发生了中断并将其传递给目标CPU，并且目标CPU可以处理该中断； Active and pending ：发生了中断并将其传递给目标CPU，同时发生了相同的中断并且该中断正在等待处理；
　　GIC检测中断流程如下： GIC捕获中断信号，中断信号assert，标记为pending状态；  Distributor 确定好目标CPU后，将中断信号发送到目标CPU上，同时，对于每个CPU，Distributor 会从pending信号中选择最高优先级中断发送至CPU Interface ； CPU Interface 来决定是否将中断信号发送至目标CPU； CPU完成中断处理后，发送一个完成信号 EOI(End of Interrupt) 给GIC；
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　　3. GIC驱动分析3.1 设备信息添加
　　ARM平台的设备信息，都是通过Device Tree 设备树来添加，设备树信息放置在arch/arm64/boot/dts/ 下
　　下图就是一个中断控制器的设备树信息：
　　compatible 字段：用于与具体的驱动来进行匹配，比如图片中arm, gic-400 ，可以根据这个名字去匹配对应的驱动程序； interrupt-cells 字段：用于指定编码一个中断源所需要的单元个数，这个值为3。比如在外设在设备树中添加中断信号时，通常能看到类似interrupts = ; 的信息，第一个单元0，表示的是中断类型（1：PPI，0：SPI ），第二个单元23表示的是中断号，第三个单元4表示的是中断触发的类型； reg 字段：描述中断控制器的地址信息以及地址范围，比如图片中分别制定了GIC Distributor（GICD） 和GIC CPU Interface（GICC） 的地址信息； interrupt-controller 字段：表示该设备是一个中断控制器，外设可以连接在该中断控制器上； 关于设备数的各个字段含义，详细可以参考 Documentation/devicetree/bindings 下的对应信息；
　　设备树的信息，是怎么添加到系统中的呢？Device Tree 最终会编译成dtb 文件，并通过Uboot传递给内核，在内核启动后会将dtb 文件解析成device_node 结构。关于设备树的相关知识，本文先不展开，后续再找机会补充。来一张图，先简要介绍下关键路径：
　　设备树的节点信息，最终会变成 device_node 结构，在内存中维持一个树状结构； 设备与驱动，会根据 compatible 字段进行匹配； 3.2 驱动流程分析
　　GIC驱动的执行流程如下图所示：
　　首先需要了解一下链接脚本 vmlinux.lds ，脚本中定义了一个__irqchip_of_table 段，该段用于存放中断控制器信息，用于最终来匹配设备； 在GIC驱动程序中，使用 IRQCHIP_DECLARE 宏来声明结构信息，包括compatible 字段和回调函数，该宏会将这个结构放置到__irqchip_of_table 字段中； 在内核启动初始化中断的函数中， of_irq_init 函数会去查找设备节点信息，该函数的传入参数就是__irqchip_of_table 段，由于IRQCHIP_DECLARE 已经将信息填充好了，of_irq_init 函数会根据arm,gic-400 去查找对应的设备节点，并获取设备的信息。中断控制器也存在级联的情况，of_irq_init 函数中也处理了这种情况； or_irq_init 函数中，最终会回调IRQCHIP_DECLARE 声明的回调函数，也就是gic_of_init ，而这个函数就是GIC驱动的初始化入口函数了； GIC的工作，本质上是由中断信号来驱动，因此驱动本身的工作就是完成各类信息的初始化，注册好相应的回调函数，以便能在信号到来之时去执行；  set_smp_process_call 设置__smp_cross_call 函数指向gic_raise_softirq ，本质上就是通过软件来触发GIC的SGI中断 ，用于核间交互； cpuhp_setup_state_nocalls 函数，设置好CPU进行热插拔时GIC的回调函数，以便在CPU热插拔时做相应处理； set_handle_irq 函数的设置很关键，它将全局函数指针handle_arch_irq 指向了gic_handle_irq ，而处理器在进入中断异常时，会跳转到handle_arch_irq 执行，所以，可以认为它就是中断处理的入口函数了； 驱动中完成了各类函数的注册，此外还完成了 irq_chip , irq_domain 等结构体的初始化，这些结构在下文会进一步分析； 最后，完成GIC硬件模块的初始化设置，以及电源管理相关的注册等工作；  3.3 数据结构分析
　　先来张图：
　　GIC驱动中，使用 struct gic_chip_data 结构体来描述GIC控制器的信息，整个驱动都是围绕着该结构体的初始化，驱动中将函数指针都初始化好，实际的工作是由中断信号触发，也就是在中断来临的时候去进行回调； struct irq_chip 结构，描述的是中断控制器的底层操作函数集，这些函数集最终完成对控制器硬件的操作； struct irq_domain 结构，用于硬件中断号和Linux IRQ中断号（virq，虚拟中断号）之间的映射；
　　还是上一下具体的数据结构代码吧，关键注释如下： struct irq_chip { 	struct device	*parent_device;     //指向父设备 	const char	*name;      //  /proc/interrupts中显示的名字 	unsigned int	(*irq_startup)(struct irq_data *data);  //启动中断，如果设置成NULL，则默认为enable 	void		(*irq_shutdown)(struct irq_data *data);     //关闭中断，如果设置成NULL，则默认为disable 	void		(*irq_enable)(struct irq_data *data);   //中断使能，如果设置成NULL，则默认为chip->unmask 	void		(*irq_disable)(struct irq_data *data);  //中断禁止   	void		(*irq_ack)(struct irq_data *data);  //开始新的中断 	void		(*irq_mask)(struct irq_data *data); //中断源屏蔽 	void		(*irq_mask_ack)(struct irq_data *data); //应答并屏蔽中断 	void		(*irq_unmask)(struct irq_data *data);   //解除中断屏蔽 	void		(*irq_eoi)(struct irq_data *data);  //中断处理结束后调用   	int		(*irq_set_affinity)(struct irq_data *data, const struct cpumask *dest, bool force); //在SMP中设置CPU亲和力 	int		(*irq_retrigger)(struct irq_data *data);    //重新发送中断到CPU 	int		(*irq_set_type)(struct irq_data *data, unsigned int flow_type); //设置中断触发类型 	int		(*irq_set_wake)(struct irq_data *data, unsigned int on);    //使能/禁止电源管理中的唤醒功能   	void		(*irq_bus_lock)(struct irq_data *data); //慢速芯片总线上的锁 	void		(*irq_bus_sync_unlock)(struct irq_data *data);  //同步释放慢速总线芯片的锁   	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;  //用于添加到全局链表irq_domain_list中 	const char *name;   //IRQ domain的名字 	const struct irq_domain_ops *ops;   //IRQ domain映射操作函数集 	void *host_data;    //在GIC驱动中，指向了irq_gic_data 	unsigned int flags;  	unsigned int mapcount;  //映射中断的个数   	/* 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;  //支持级联的话，指向父设备 #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支持中断数量的最大值 	unsigned int revmap_direct_max_irq; 	unsigned int revmap_size;   //线性映射的大小 	struct radix_tree_root revmap_tree; //Radix Tree映射的根节点 	unsigned int linear_revmap[];   //线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);      // 用于中断控制器设备与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);    //用于硬件中断号与Linux中断号的映射 	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);     //通过device_node，解析硬件中断号和触发方式   #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用于将硬件的中断号，转换成Linux系统中的中断号（virtual irq, virq ），来张图：
　　每个中断控制器都对应一个IRQ Domain；  中断控制器驱动通过 irq_domain_add_*() 接口来创建IRQ Domain； IRQ Domain支持三种映射方式：linear map（线性映射），tree map（树映射），no map（不映射）；  linear map：维护固定大小的表，索引是硬件中断号，如果硬件中断最大数量固定，并且数值不大，可以选择线性映射；  tree map：硬件中断号可能很大，可以选择树映射；  no map：硬件中断号直接就是Linux的中断号；
　　三种映射的方式如下图：
　　图中描述了三个中断控制器，对应到三种不同的映射方式；  各个控制器的硬件中断号可以一样，最终在Linux内核中映射的中断号是唯一的；  4. Arch-speicific代码分析中断也是异常模式的一种，当外设触发中断时，处理器会切换到特定的异常模式进行处理，而这部分代码都是架构相关的；ARM64的代码位于 arch/arm64/kernel/entry.S 。 ARM64处理器有四个异常级别Exception Level：0~3，EL0级对应用户态程序，EL1级对应操作系统内核态，EL2级对应Hypervisor，EL3级对应Secure Monitor；  异常触发时，处理器进行切换，并且跳转到异常向量表开始执行，针对中断异常，最终会跳转到 irq_handler 中；
　　代码比较简单，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
　　来张图：
　　中断触发，处理器去异常向量表找到对应的入口，比如EL0的中断跳转到 el0_irq 处，EL1则跳转到el1_irq 处； 在GIC驱动中，会调用 set_handle_irq 接口来设置handle_arch_irq 的函数指针，让它指向gic_handle_irq ，因此中断触发的时候会跳转到gic_handle_irq 处执行； gic_handle_irq 函数处理时，分为两种情况，一种是外设触发的中断，硬件中断号在16 ~ 1020 之间，一种是软件触发的中断，用于处理器之间的交互，硬件中断号在16以内； 外设触发中断后，根据 irq domain 去查找对应的Linux IRQ中断号，进而得到中断描述符irq_desc ，最终也就能调用到外设的中断处理函数了；
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