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GIC

由于现在的 SoC 做得越来越复杂，中断的管理越来越困难，所以 ARM 公司专门开发了 GIC，用于统一管理中断。目前最新版本是 GIC-V4。

ARM GIC

GIC 从功能上来说，除了常用的中断使能、中断屏蔽、优先级管理等，还支持安全扩展和虚拟化。从组成上来说，分为分发器(distributor)和CPU接口(CPU interface)。分发器负责对中断源进行仲裁，并将最高优先级的中断发送给 CPU 接口，CPU 接口负责将中断发送给 CPU。分发器只有一个，是公用的，但是每个 CPU 核心都有一个 CPU 接口，它们通过 nIRQ 和 nFIQ 引脚连接。

GIC支持三种类型的中断：

  • SGI（Software Generated Interrupt）：软件产生的中断，可以用于多核间的通信，一个CPU可以通过写 GIC 的寄存器给另外一个 CPU 产生中断。SGI 保留中断 ID 是 0~15.

  • PPI（Private Peripheral Interrupt）：某个 CPU 私有外设的中断，只能发给绑定的那个 CPU。PPI 保留中断 ID 是 16~31。

  • SPI（Shared Peripheral Interrupt）：共享外设的中断，可以发送给任何一个 CPU。SPI 保留中断 ID 是 32~1020。

每一个中断支持的状态有以下4种：

  • Inactive：中断处于无效状态
  • Pending：中断处于有效状态，但尚未传递给目标 CPU
  • Active：发生了中断并传递给目标 CPU
  • Active and pending：CPU 正在响应，但是该中断源又产生了相同的中断

外设中断支持两种触发方式：

  • 边沿触发：当中断源产生一个上升沿或者下降沿时，触发一个中断
  • 电平触发：当中断源产生一个高电平或者低电平时，触发一个中断

中断流程

GIC 检测中断的流程如下：

  1. 当 GIC 检测到一个中断时，标记该中断为 pending 状态
  2. 对于 pending 状态的中断，分发器会确定目标 CPU，将中断请求发送给这个 CPU
  3. 如果有多个处于 pending 状态的中断，分发器会选择一个优先级最高的中断，发送给 CPU 接口
  4. CPU 接口会决定这个中断是否可以发送给 CPU，如果可以，GIC 就会发送一个中断请求信号给 CPU

  5. CPU 进入中断异常，跳转到顶层中断处理程序，读取寄存器中的中断源信息，同时 GIC 会做以下处理：

    • 如果该中断处于 pending 状态，那么状态将变成 active
    • 如果该中断又重新产生，那么状态将变成 active and pending

  6. 处理器完成中断服务，发送一个完成信号(End of Interrupt)给 GIC，指示中断结束

  7. 将中断状态改为 inactive 或者 pending(如果状态为 active and pending)，挂起的中断可以继续往 CPU 发送中断信息

在同一个内核上可能有多个中断等待服务，但是 CPU 接口一次只能发出一个中断信号。顶层中断处理程序可以重复上述顺序，直到读取到特殊中断 ID 值 1023，表示有在这个核心上没有更多的中断挂起。这个特殊的中断 ID 被称为虚假的中断标识。虚假中断 ID 是一个保留值，不能分配给系统。当顶层处理程序读取了虚假中断 ID 后，它可以完成它的执行，并准备内核在中断之前恢复它正在执行的任务。

GIC寄存器

GIC 的分发器包含众多寄存器，可以用它们来配置各个中断的属性，比如：

  • 中断优先级：分发器用它来确定谁被优先发送给 CPU 接口
  • 中断配置：决定了是电平触发还是边缘触发
  • 中断目标：决定了中断被发送给哪个 CPU 接口，仅适用于 SPI。
  • 中断禁用：决定了哪些中断被禁止发送给 CPU 接口
  • 中断状态：记录了中断的状态，包括 pending、active、active and pending

分发器还提供了优先级屏蔽，可以防止某个低于优先级的中断到达内核。