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。14ARM64处理器，ContexA53，双核使用工具：SourceInsight3。5，Visio1。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（GenericInterruptController），GIC的版本包括V1V4，由于本人使用的SoC中的中断控制器是V2版本，本文将围绕GICV2来展开介绍；
　　来一张功能版的框图：
　　GICV2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；GICV2从组成上说，主要分为Distributor和CPUInterface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CPUInterface，CPUInterface主要用于连接处理器，与处理器进行交互；VirtualDistributor和VirtualCPUInterface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CPUInterface的功能：
　　GICV2支持三种类型的中断：SGI（softwaregeneratedinterrupts）：软件产生的中断，主要用于核间交互，内核中的IPI：interprocessorinterrupts就是基于SGI，中断号ID0ID15用于SGI；PPI（PrivatePeripheralInterrupt）：私有外设中断，每个CPU都有自己的私有中断，典型的应用有localtimer，中断号ID16ID31用于PPI；SPI（SharedPeripheralInterrupt）：共享外设中断，中断产生后，可以分发到某一个CPU上，中断号ID32ID1019用于SPI，ID1020ID1023保留用于特殊用途；Distributor功能：全局开关控制Distributor分发到CPUInterface；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；CPUInterface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；Activeandpending：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CPUInterface；CPUInterface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（EndofInterrupt）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DeviceTree设备树来添加，设备树信息放置在archarm64bootdts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，gic400，可以根据这个名字去匹配对应的驱动程序；interruptcells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GICDistributor（GICD）和GICCPUInterface（GICC）的地址信息；interruptcontroller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Documentationdevicetreebindings下的对应信息；
　　设备树的信息，是怎么添加到系统中的呢？DeviceTree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devicenode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devicenode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irqchipoftable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IRQCHIPDECLARE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irqchipoftable字段中；在内核启动初始化中断的函数中，ofirqinit函数会去查找设备节点信息，该函数的传入参数就是irqchipoftable段，由于IRQCHIPDECLARE已经将信息填充好了，ofirqinit函数会根据arm，gic400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，ofirqinit函数中也处理了这种情况；orirqinit函数中，最终会回调IRQCHIPDECLARE声明的回调函数，也就是gicofinit，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；setsmpprocesscall设置smpcrosscall函数指向gicraisesoftirq，本质上就是通过软件来触发GIC的SGI中断，用于核间交互；cpuhpsetupstatenocalls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；sethandleirq函数的设置很关键，它将全局函数指针handlearchirq指向了gichandleirq，而处理器在进入中断异常时，会跳转到handlearchirq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irqchip，irqdomain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structgicchipdata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；structirqchip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；structirqdomain结构，用于硬件中断号和LinuxIRQ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：structirqchip｛structdeviceparentdevice；指向父设备constcharname；procinterrupts中显示的名字unsignedint（irqstartup）（structirqdatadata）；启动中断，如果设置成NULL，则默认为enablevoid（irqshutdown）（structirqdatadata）；关闭中断，如果设置成NULL，则默认为disablevoid（irqenable）（structirqdatadata）；中断使能，如果设置成NULL，则默认为chipunmaskvoid（irqdisable）（structirqdatadata）；中断禁止void（irqack）（structirqdatadata）；开始新的中断void（irqmask）（structirqdatadata）；中断源屏蔽void（irqmaskack）（structirqdatadata）；应答并屏蔽中断void（irqunmask）（structirqdatadata）；解除中断屏蔽void（irqeoi）（structirqdatadata）；中断处理结束后调用int（irqsetaffinity）（structirqdatadata，conststructcpumaskdest，boolforce）；在SMP中设置CPU亲和力int（irqretrigger）（structirqdatadata）；重新发送中断到CPUint（irqsettype）（structirqdatadata，unsignedintflowtype）；设置中断触发类型int（irqsetwake）（structirqdatadata，unsignedinton）；使能禁止电源管理中的唤醒功能void（irqbuslock）（structirqdatadata）；慢速芯片总线上的锁void（irqbussyncunlock）（structirqdatadata）；同步释放慢速总线芯片的锁void（irqcpuonline）（structirqdatadata）；void（irqcpuoffline）（structirqdatadata）；void（irqsuspend）（structirqdatadata）；void（irqresume）（structirqdatadata）；void（irqpmshutdown）（structirqdatadata）；void（irqcalcmask）（structirqdatadata）；void（irqprintchip）（structirqdatadata，structseqfilep）；int（irqrequestresources）（structirqdatadata）；void（irqreleaseresources）（structirqdatadata）；void（irqcomposemsimsg）（structirqdatadata，structmsimsgmsg）；void（irqwritemsimsg）（structirqdatadata，structmsimsgmsg）；int（irqgetirqchipstate）（structirqdatadata，enumirqchipirqstatewhich，boolstate）；int（irqsetirqchipstate）（structirqdatadata，enumirqchipirqstatewhich，boolstate）；int（irqsetvcpuaffinity）（structirqdatadata，voidvcpuinfo）；void（ipisendsingle）（structirqdatadata，unsignedintcpu）；void（ipisendmask）（structirqdatadata，conststructcpumaskdest）；unsignedlongflags；｝；structirqdomain｛structlistheadlink；用于添加到全局链表irqdomainlist中constcharname；IRQdomain的名字conststructirqdomainopsops；IRQdomain映射操作函数集voidhostdata；在GIC驱动中，指向了irqgicdataunsignedintflags；unsignedintmapcount；映射中断的个数Optionaldatastructfwnodehandlefwnode；enumirqdomainbustokenbustoken；structirqdomainchipgenericgc；ifdefCONFIGIRQDOMAINHIERARCHYstructirqdomainparent；支持级联的话，指向父设备endififdefCONFIGGENERICIRQDEBUGFSstructdentrydebugfsfile；endifreversemapdata。Thelinearmapgetsappendedtotheirqdomainirqhwnumberthwirqmax；IRQdomain支持中断数量的最大值unsignedintrevmapdirectmaxirq；unsignedintrevmapsize；线性映射的大小structradixtreerootrevmaptree；RadixTree映射的根节点unsignedintlinearrevmap〔〕；线性映射用到的查找表｝；structirqdomainops｛int（match）（structirqdomaind，structdevicenodenode，enumirqdomainbustokenbustoken）；用于中断控制器设备与IRQdomain的匹配int（select）（structirqdomaind，structirqfwspecfwspec，enumirqdomainbustokenbustoken）；int（map）（structirqdomaind，unsignedintvirq，irqhwnumberthw）；用于硬件中断号与Linux中断号的映射void（unmap）（structirqdomaind，unsignedintvirq）；int（xlate）（structirqdomaind，structdevicenodenode，constu32intspec，unsignedintintsize，unsignedlongouthwirq，unsignedintouttype）；通过devicenode，解析硬件中断号和触发方式ifdefCONFIGIRQDOMAINHIERARCHYextendedV2interfacestosupporthierarchyirqdomainsint（alloc）（structirqdomaind，unsignedintvirq，unsignedintnrirqs，voidarg）；void（free）（structirqdomaind，unsignedintvirq，unsignedintnrirqs）；void（activate）（structirqdomaind，structirqdatairqdata）；void（deactivate）（structirqdomaind，structirqdatairqdata）；int（translate）（structirqdomaind，structirqfwspecfwspec，unsignedlongouthwirq，unsignedintouttype）；endif｝；3。3。1IRQdomain
　　IRQdomain用于将硬件的中断号，转换成Linux系统中的中断号（virtualirq，virq），来张图：
　　每个中断控制器都对应一个IRQDomain；中断控制器驱动通过irqdomainadd（）接口来创建IRQDomain；IRQDomain支持三种映射方式：linearmap（线性映射），treemap（树映射），nomap（不映射）；linearmap：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；treemap：硬件中断号可能很大，可以选择树映射；nomap：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。Archspeicific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archarm64kernelentry。S。ARM64处理器有四个异常级别ExceptionLevel：03，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SecureMonitor；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irqhandler中；
　　代码比较简单，如下：Interrupthandling。。macroirqhandlerldrlx1，handlearchirqmovx0，spirqstackentryblrx1irqstackexit。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el0irq处，EL1则跳转到el1irq处；在GIC驱动中，会调用sethandleirq接口来设置handlearchirq的函数指针，让它指向gichandleirq，因此中断触发的时候会跳转到gichandleirq处执行；gichandleirq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161020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irqdomain去查找对应的LinuxIRQ中断号，进而得到中断描述符irqdesc，最终也就能调用到外设的中断处理函数了；
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