Linux系统GIC介绍与编程

资料下载

coding无法使用浏览器打开，必须用git工具下载：

git clone https://e.coding.net/weidongshan/linux/doc_and_source_for_drivers.git

视频观看

百问网驱动大全

第四章GIC介绍与编程

• • 资料下载
  • 视频观看
  • 4.1 GIC介绍
  • • 4.1.1 配置
    • 4.1.2 初始化
    • 4.1.3 GIC中断处理
  • 4.2 GIC的寄存器
  • • 4.2.1 Distributor 寄存器描述
    • • 1. **Distributor Control Register, GICD_CTLR**
      • 2. **Interrupt Controller Type Register, GICD_TYPER**
      • 3. **Distributor Implementer Identification Register, GICD_IIDR**
      • 4. **Interrupt Group Registers, GICD_IGROUPRn**
      • 5. **Interrupt Set-Enable Registers, GICD_ISENABLERn**
      • 6. **Interrupt Clear-Enable Registers, GICD_ICENABLERn**
      • 7. **Interrupt Set-Active Registers, GICD_ISACTIVERn**
      • 8. **Interrupt Clear-Active Registers, GICD_ICACTIVERn**
      • 9. **Interrupt Priority Registers, GICD_IPRIORITYRn**
      • 10. **Interrupt Processor Targets Registers, GICD_ITARGETSRn**
      • 11. **Interrupt Configuration Registers, GICD_ICFGRn**
      • 12. **Identification registers: Peripheral ID2 Register, ICPIDR2**
    • 4.2.2 CPU interface寄存器描述
    • • 1. **CPU Interface Control Register, GICC_CTLR**
      • 2. **Interrupt Priority Mask Register, GICC_PMR**
      • 3. **Binary Point Register, GICC_BPR**
      • 4. **Interrupt Acknowledge Register, GICC_IAR**
      • 5. **Interrupt Register, GICC_EOIR**
  • 4.3 GIC编程

参考资料：

4.1 GIC介绍

​ ARM体系结构定义了通用中断控制器（GIC），该控制器包括一组用于管理单核或多核系统中的中断的硬件资源。GIC提供了内存映射寄存器，可用于管理中断源和行为，以及（在多核系统中）用于将中断路由到各个CPU核。它使软件能够屏蔽，启用和禁用来自各个中断源的中断，以（在硬件中）对各个中断源进行优先级排序和生成软件触发中断。它还提供对TrustZone安全性扩展的支持。GIC接受系统级别中断的产生，并可以发信号通知给它所连接的每个内核，从而有可能导致IRQ或FIQ异常发生。

从软件角度来看，GIC具有两个主要功能模块，简单画图如下：

在这里插入图片描述

① 分发器(Distributor) 系统中的所有中断源都连接到该单元。可以通过仲裁单元的寄存器来控制各个中断源的属性，例如优先级、状态、安全性、路由信息和使能状态。 分发器把中断输出到“CPU接口单元”，后者决定将哪个中断转发给CPU核。

② CPU接口单元（CPU Interface） CPU核通过控制器的CPU接口单元接收中断。CPU接口单元寄存器用于屏蔽，识别和控制转发到CPU核的中断的状态。系统中的每个CPU核心都有一个单独的CPU接口。 中断在软件中由一个称为中断ID的数字标识。中断ID唯一对应于一个中断源。软件可以使用中断ID来识别中断源并调用相应的处理程序来处理中断。呈现给软件的中断ID由系统设计确定，一般在SOC的数据手册有记录。

中断可以有多种不同的类型：

① 软件触发中断（SGI，Software Generated Interrupt） 这是由软件通过写入专用仲裁单元的寄存器即软件触发中断寄存器（ICDSGIR）显式生成的。它最常用于CPU核间通信。SGI既可以发给所有的核，也可以发送给系统中选定的一组核心。中断号0-15保留用于SGI的中断号。用于通信的确切中断号由软件决定。

② 私有外设中断（PPI，Private Peripheral Interrupt） 这是由单个CPU核私有的外设生成的。PPI的中断号为16-31。它们标识CPU核私有的中断源，并且独立于另一个内核上的相同中断源，比如，每个核的计时器。

③ 共享外设中断（SPI，Shared Peripheral Interrupt） 这是由外设生成的，中断控制器可以将其路由到多个核。中断号为32-1020。SPI用于从整个系统可访问的各种外围设备发出中断信号。

​ 中断可以是边沿触发的（在中断控制器检测到相关输入的上升沿时认为中断触发，并且一直保持到清除为止）或电平触发（仅在中断控制器的相关输入为高时触发）。

中断可以处于多种不同状态：

① 非活动状态（Inactive）–这意味着该中断未触发。 ② 挂起（Pending）–这意味着中断源已被触发，但正在等待CPU核处理。待处理的中断要通过转发到CPU接口单元，然后再由CPU接口单元转发到内核。 ③ 活动（Active）–描述了一个已被内核接收并正在处理的中断。 ④ 活动和挂起（Active and pending）–描述了一种情况，其中CPU核正在为中断服务，而GIC又收到来自同一源的中断。

​ 中断的优先级和可接收中断的核都在分发器(distributor)中配置。外设发给分发器的中断将标记为pending状态（或Active and Pending状态，如触发时果状态是active）。distributor确定可以传递给CPU核的优先级最高的pending中断，并将其转发给内核的CPU interface。通过CPU interface，该中断又向CPU核发出信号，此时CPU核将触发FIQ或IRQ异常。

​ 作为响应，CPU核执行异常处理程序。异常处理程序必须从CPU interface寄存器查询中断ID，并开始为中断源提供服务。完成后，处理程序必须写入CPU interface寄存器以报告处理结束。然后CPU interface准备转发distributor发给它的下一个中断。

​ 在处理中断时，中断的状态开始为pending，active，结束时变成inactive。中断状态保存在distributor寄存器中。

下图是GIC控制器的逻辑结构：

在这里插入图片描述

4.1.1 配置

​ GIC作为内存映射的外围设备，被软件访问。所有内核都可以访问公共的distributor单元，但是CPU interface是备份的，也就是说，每个CPU核都使用相同的地址来访问其专用CPU接口。一个CPU核不可能访问另一个CPU核的CPU接口。

Distributor拥有许多寄存器，可以通过它们配置各个中断的属性。这些可配置属性是：

• 中断优先级：Distributor使用它来确定接下来将哪个中断转发到CPU接口。
• 中断配置：这确定中断是对电平触发还是边沿触发。
• 中断目标：这确定了可以将中断发给哪些CPU核。
• 中断启用或禁用状态：只有Distributor中启用的那些中断变为挂起状态时，才有资格转发。
• 中断安全性：确定将中断分配给Secure还是Normal world软件。
• 中断状态。 Distributor还提供优先级屏蔽，可防止低于某个优先级的中断发送给CPU核。 每个CPU核上的CPU interface，专注于控制和处理发送给该CPU核的中断。

4.1.2 初始化

​ Distributor和CPU interface在复位时均被禁用。复位后，必须初始化GIC，才能将中断传递给CPU核。 ​ 在Distributor中，软件必须配置优先级、目标核、安全性并启用单个中断；随后必须通过其控制寄存器使能。 ​ 对于每个CPU interface，软件必须对优先级和抢占设置进行编程。每个CPU接口模块本身必须通过其控制寄存器使能。 ​ 在CPU核可以处理中断之前，软件会通过在向量表中设置有效的中断向量并清除CPSR中的中断屏蔽位来让CPU核可以接收中断。 ​ 可以通过禁用Distributor单元来禁用系统中的整个中断机制；可以通过禁用单个CPU的CPU接口模块或者在CPSR中设置屏蔽位来禁止向单个CPU核的中断传递。也可以在Distributor中禁用（或启用）单个中断。 ​ 为了使某个中断可以触发CPU核，必须将各个中断，Distributor和CPU interface全部使能，并

将CPSR中断屏蔽位清零，如下图：

在这里插入图片描述

4.1.3 GIC中断处理

​ 当CPU核接收到中断时，它会跳转到中断向量表执行。 ​ 顶层中断处理程序读取CPU接口模块的Interrupt Acknowledge Register，以获取中断ID。除了返回中断ID之外，读取操作还会使该中断在Distributor中标记为active状态。一旦知道了中断ID（标识中断源），顶层处理程序现在就可以分派特定于设备的处理程序来处理中断。 ​ 当特定于设备的处理程序完成执行时，顶级处理程序将相同的中断ID写入CPU interface模块中的End of Interrupt register中断结束寄存器，指示中断处理结束。除了把当前中断移除active状态之外，这将使最终中断状态变为inactive或pending（如果状态为inactive and pending），这将使CPU interface能够将更多待处理pending的中断转发给CPU核。这样就结束了单个中断的处理。 ​ 同一CPU核上可能有多个中断等待服务，但是CPU interface一次只能发出一个中断信号。顶层中断处理程序重复上述顺序，直到读取特殊的中断ID值1023，表明该内核不再有任何待处理的中断。这个特殊的中断ID被称为伪中断ID（spurious interrupt ID）。 ​ 伪中断ID是保留值，不能分配给系统中的任何设备。

4.2 GIC的寄存器

​ GIC分为两部分：Distributor和CPU interface，它们的寄存器都有相应的前缀：“GICD_”、“GICC_”。这些寄存器都是映射为内存接口(memery map)，CPU可以直接读写。

4.2.1 Distributor 寄存器描述

1. Distributor Control Register, GICD_CTLR

在这里插入图片描述

2. Interrupt Controller Type Register, GICD_TYPER

在这里插入图片描述

3. Distributor Implementer Identification Register, GICD_IIDR

4. Interrupt Group Registers, GICD_IGROUPRn

对于一个中断，如何设置它的Group ？首先找到对应的GICD_IGROUPRn寄存器，即n是多少？还要确定使用这个寄存器里哪一位。 对于interrtups ID m，如下计算：

n = m DIV 32，GICD_IGROUPRn里的n就确定了；
GICD_IGROUPRn在GIC内部的偏移地址是多少？0x080+(4*n)
使用GICD_IPRIORITYRn中哪一位来表示interrtups ID m？
bit = m mod 32。

5. Interrupt Set-Enable Registers, GICD_ISENABLERn

对于一个中断，如何找到GICD_ISENABLERn并确定相应的位？

对于interrtups ID m，如下计算：
n = m DIV 32，GICD_ISENABLERn里的n就确定了；
GICD_ISENABLERn在GIC内部的偏移地址是多少？0x100+(4*n)
使用GICD_ISENABLERn中哪一位来表示interrtups ID m？
bit = m mod 32。

6. Interrupt Clear-Enable Registers, GICD_ICENABLERn

对于一个中断，如何找到GICD_ICENABLERn并确定相应的位？

对于interrtups ID m，如下计算：
n = m DIV 32，GICD_ICENABLERn里的n就确定了；
GICD_ICENABLERn在GIC内部的偏移地址是多少？0x180+(4*n)
使用GICD_ICENABLERn中哪一位来表示interrtups ID m？
bit = m mod 32。

7. Interrupt Set-Active Registers, GICD_ISACTIVERn

对于一个中断，如何找到GICD_ISACTIVERn并确定相应的位？

对于interrtups ID m，如下计算：
n = m DIV 32，GICD_ISACTIVERn里的n就确定了；
GICD_ISACTIVERn在GIC内部的偏移地址是多少？0x300+(4*n)
使用GICD_ISACTIVERn 中哪一位来表示interrtups ID m？
bit = m mod 32。

8. Interrupt Clear-Active Registers, GICD_ICACTIVERn

对于一个中断，如何找到GICD_ICACTIVERn并确定相应的位？

对于interrtups ID m，如下计算：
n = m DIV 32，GICD_ICACTIVERn里的n就确定了；
GICD_ICACTIVERn 在GIC内部的偏移地址是多少？0x380+(4*n)
使用GICD_ICACTIVERn中哪一位来表示interrtups ID m？
bit = m mod 32。

9. Interrupt Priority Registers, GICD_IPRIORITYRn

对于一个中断，如何设置它的优先级(Priority)，首先找到对应的GICD_IPRIORITYRn寄存器，即n是多少？还要确定使用这个寄存器里哪一个字节。

对于interrtups ID m，如下计算：
n = m DIV 4，GICD_IPRIORITYRn里的n就确定了；
GICD_IPRIORITYRn在GIC内部的偏移地址是多少？0x400+(4*n)
使用GICD_IPRIORITYRn中4个字节中的哪一个来表示interrtups ID m的优先级？
byte offset = m mod 4。
byte offset 0对应寄存器里的[7:0]；
byte offset 1对应寄存器里的[15:8]；
byte offset 2对应寄存器里的[23:16]；
byte offset 3对应寄存器里的[31:24]。

10. Interrupt Processor Targets Registers, GICD_ITARGETSRn

对于一个中断，如何设置它的目杯CPU？优先级(Priority)，首先找到对应的GICD_ITARGETSRn寄存器，即n是多少？还要确定使用这个寄存器里哪一个字节。

对于interrtups ID m，如下计算：
n = m DIV 4，GICD_ITARGETSRn里的n就确定了；
GICD_ITARGETSRn在GIC内部的偏移地址是多少？0x800+(4*n)
使用GICD_ITARGETSRn中4个字节中的哪一个来表示interrtups ID m的目标CPU？
byte offset = m mod 4。
byte offset 0对应寄存器里的[7:0]；
byte offset 1对应寄存器里的[15:8]；
byte offset 2对应寄存器里的[23:16]；
byte offset 3对应寄存器里的[31:24]。

11. Interrupt Configuration Registers, GICD_ICFGRn

对于一个中断，如何找到GICD_ICFGRn并确定相应的位域F？

对于interrtups ID m，如下计算：
n = m DIV 16，GICD_ICFGRn里的n就确定了；
GICD_ICACTIVERn 在GIC内部的偏移地址是多少？0xC00+(4*n)
F = m mod 16。

12. Identification registers: Peripheral ID2 Register, ICPIDR2

4.2.2 CPU interface寄存器描述

1. CPU Interface Control Register, GICC_CTLR

​ 此寄存器用来控制CPU interface传给CPU的中断信号。对于不同版本的GIC，这个寄存器里各个位的含义大有不同。以GICv2为例，有如下2种格式：

​ 以GIC2 with Security Extensions, Non-secure copy 为例，GICC_CTLR中各个位的定义如下：

2. Interrupt Priority Mask Register, GICC_PMR

​ 提供优先级过滤功能，优先级高于某值的中断，才会发送给CPU。

[7:0]共8位，可以表示256个优先级。但是某些芯片里的GIC支持的优先级少于256个，则某些位为RAZ / WI，如下所示：

如果有128个级别，则寄存器中bit[0] = 0b0，即使用[7:1]来表示优先级；
如果有64个级别，则寄存器中bit[1:0] = 0b00，即使用[7:2]来表示优先级；
如果有32个级别，则寄存器中bit[2:0] = 0b000，即使用[7:3]来表示优先级；
如果有16个级别，则寄存器中bit[3:0] = 0b0000，即使用[7:4]来表示优先级；

注意：imx6ull最多为32个级别

3. Binary Point Register, GICC_BPR

​ 此寄存器用来把8位的优先级字段拆分为组优先级和子优先级，组优先级用来决定中断抢占。

4. Interrupt Acknowledge Register, GICC_IAR

​ CPU读此寄存器，获得当前中断的interrtup ID。

5. Interrupt Register, GICC_EOIR

​ 写此寄存器，表示某中断已经处理完毕。GICC_IAR的值表示当前在处理的中断，把GICC_IAR的值写入GICC_EOIR就表示中断处理完了。

4.3 GIC编程

使用cortex A7处理器的芯片，一般都是使用GIC v2的中断控制器。 处理GIC的基地址不一样外，对GIC的操作都是一样的。 在NXP官网可以找到IMX6ULL的SDK包。 下载后可以参考这个文件：core_ca7.h，里面含有GIC的初始化代码。