【博文连载】ARM GIC（三） gicv2架构

ARM的cpu，特别是cortex-A系列的CPU，目前都是多core的cpu，因此对于多core的cpu的中断管理，就不能像单core那样简单去管理，由此arm定义了GICv2架构，来支持多核cpu的中断管理。

一、gicv2架构

GICv2，支持最大8个core。其框图如下图所示：

在gicv2中，gic由两个大模块组成：

  • distributor：实现中断分发，对于PPI,SGI是各个core独有的中断，不参与目的core的仲裁，SPI，是所有core共享的，根据配置决定中断发往的core。最后选择最高优先级中断发送给cpu interface。寄存器使用 GICD_ 作为前缀。一个gic中，只有一个GICD。

  • cpu interface：将GICD发送的中断信息，通过IRQ,FIQ管脚，传输给core。寄存器使用 GICC_ 作为前缀。每一个core，有一个cpu interface。

  • virtual cpu interface：将GICD发送的虚拟中断信息，通过VIRQ，VFIQ管脚，传输给core。每一个core，有一个virtual cpu interface。而在这virtual cpu interface中，又包含以下两个组件：

    • virtual interface control：寄存器使用 GICH_ 作为前缀

    • virtual cpu interface：寄存器使用 GICV_ 作为前缀

图中的virtual interface，是用于支持虚拟中断，本系列不讨论虚拟中断。

GICv2支持中断旁路模式，也就是gic外部的FIQ,IRQ直接接到core的FIQ，IRQ上，相当于gic是不使能的。也就是CFGSDISABLE是有效的，将GIC给无效掉。

gicv2，定义了自己的一些寄存器，这些寄存器，都是使用memory-mapped的方式去访问的，也就是在soc中，会留有一片空间，给gic。cpu通过访问这部分空间，来对gic进行操作。

寄存器，分为以下：

  • GICD_*: distributor的寄存器

  • GICH_*: 虚拟interface的控制寄存器

  • GICV_*：虚拟interface的控制寄存器

  • GICC_*: 虚拟cpu interface的寄存器

二、中断分组

givc2，将中断，分成了group0和group1。使用寄存器GICD_IGROUPRn来对每个中断，设置组。

  • group0：安全中断，由nFIQ驱动

  • group1：非安全中断，由nIRQ驱动

三、中断号

gicv2，支持最大1020个中断。其中断号分配如下：

中断号

分配

中断来源

寄存器

ID0-ID7

非安全软中断

软件

GICD_SGIR

ID8-ID15

安全软中断

软件

GICD_SGIR

ID16-ID31

私有中断

外设

no

ID32-ID1019

共享中断

外设

no

四、gic结构

gic主要包括以下两个组件：

  • distributor

  • cpu interface

1、distributor

中断分发器，用来收集所有的中断来源，并且为每个中断源设置中断优先级，中断分组，中断目的core。当有中断产生时，将当前最高优先级中断，发送给对应的cpu interface。

distributor对中断提供以下的功能：

  • 全局中断使能

  • 每个中断的使能

  • 中断的优先级

  • 中断的分组

  • 中断的目的core

  • 中断触发方式

  • 对于SGI中断，传输中断到指定的core

  • 每个中断的状态管理

  • 提供软件，可以修改中断的pending状态

2、cpu interface

cpu interface，将GICD发送的中断信息，通过IRQ，FIQ管脚，发送给连接到该cpu接口的core。

cpu interface提供了一下的功能：

  • 将中断请求发送给cpu

  • 对中断进行认可（acknowledging an interrupt）

  • 中断完成识别(indicating completion of an interrupt)

  • 设置中断优先级屏蔽

  • 定义中断抢占策略

  • 决定当前处于pending状态最高优先级中断

五、中断认可

中断认可，是指cpu响应该中断。此时中断状态从pending状态，变为active状态。通过访问GICC_IAR寄存器，来对中断进行认可。

  • GICC_IAR： 认可group0的中断

  • GICC_AIAR: 认可group1的中断

六、中断完成

中断完成，是指cpu处理完中断。此时中断状态从active状态，变为inactive状态。gic中，对中断完成，定义了以下两个stage：

  • 优先级重置（priority drop）：将当前中断屏蔽的最高优先级进行重置，以便能够响应低优先级中断。group0中断，通过写GICC_EOIR寄存器，来实现优先级重置，group1中断，通过写 GICC_AEOIR 寄存器，来实现优先级重置。

  • 中断无效（interrupt deactivation）：将中断的状态，设置为inactive状态。通过写 GICC_DIR 寄存器，来实现中断无效。

这里为什么要对中断完成，定义2个stage，其实是有考虑的。对于中断来说，我们是希望中断处理程序越短越好，但是有些中断处理程序，就是比较长，在这种情况下，就会使其他中断得到相应，从而影响实时性。

比如当前cpu在响应优先级为4的中断A，但是这个中断A的中断处理程序比较长，此时如果有优先级为5的中断B到来，那么cpu是不会响应这个中断的。

在软件上，会将中断处理程序分为两部分，分为上半部分，和下半部分。在上半部分，完成中断最紧急的任务，然后就可以通知GIC，降低当前的中断处理优先级，以便其他中断能够得到响应。在下半部分，处理该中断的其他事情。

在这种机制下，低优先级的中断，不用等待高优先级的中断，完全执行完中断处理程序后，就可以被cpu所响应，提高实时性。

为了实现上述机制，就将中断完成分成了2步。还是刚刚的例子，cpu在响应优先级为4的中断A，当中断A的上半部分完成后，通知GIC，优先级重置（drop priority），GIC将当前的最高优先级中断重置，重置到响应中断A之前的优先级，比如优先级6，那么此时优先级为5的中断B，就可以被cpu响应。最后中断A的下半部分完成后，通知GIC，将该中断A的状态，设置为inactive状态，此时中断A就真正的完成了。

当然，也可以不将中断完成分成2步，就1步。通过控制 GICC_CTLR寄存器的EOImode比特，来决定是否将中断完成分成2步。

七、bypass功能

gicv2支持bypass功能，这样gic就不起作用了，core的中断管脚，直接由soc的其他部门信号驱动。

如下图所示，通过控制 GICC_CLTR 寄存器的一些比特位，来实现bypass功能。不过这个功能一般不使用，不然何必要在arm的soc中，加入gic呢？

八、中断处理流程

中断处理流程，包含了以下几步：

  • GIC决定每个中断的使能状态，不使能的中断，是不能发送中断的

  • 如果某个中断的中断源有效，GIC将该中断的状态设置为pending状态，然后判断该中断的目标core

  • 对于每一个core，GIC将当前处于pending状态的优先级最高的中断，发送给该core的cpu interface

  • cpu interface接收GIC发送的中断请求，判断优先级是否满足要求，如果满足，就将中断通过nFIQ或nIRQ管脚，发送给core。

  • core响应该中断，通过读取 GICC_IAR 寄存器，来认可该中断。读取该寄存器，如果是软中断，返回源处理器ID，否则返回中断号。

  • 当core认可该中断后，GIC将该中断的状态，修改为active状态

  • 当core完成该中断后，通过写 EOIR （end of interrupt register）来实现优先级重置，写 GICC_DIR 寄存器，来无效该中断

九、中断使能和禁止

通过设置GICD_ISENABLERn寄存器，来使中断使能，通过设置GICD_ICENABLERn寄存器，来使中断禁止。

这两个寄存器，都是bit有效的寄存器，也就是一个bit，关联一个中断。

比如对于GICD_ISENABLER寄存器，描述如下：

十、中断pending

通过设置GICD_ISPENDRn或GICD_ICPENDRn寄存器，可以读取和修改中断的pending状态。这两个寄存器，也是bit有效的寄存器，一个bit，关联一个中断。

十一、中断active

通过设置GICD_ISACTIVERn或GICD_ICACTIVERn寄存器，可以读取和修改中断的active状态。这两个寄存器，也是bit有效的寄存器，一个bit，关联一个中断。

十二、产生软中断

通过写 GICD_SGIR 寄存器，来产生软中断。软中断，可以指定产生中断，发往执行的core，也可以发送多个core。

对于软中断，这个是软件产生的中断。比如软件，想给执行自己的core，发送一个中断，就可以通过软中断来产生。或者软件，想起其他的core，发送一个中断，也可以通过软中断来产生。

寄存器如下：

1、TargetListFileter

对于TargetListFileter：决定distributor将软中断，如何发送给cpu interface。

  • 0b00：按照CPUTargetList的指定，来发送软中断

  • 0b01：按照CPUTargetList的指定，来发送软中断，但是不能发送给自己

  • 0b10：软中断，只能发送给自己

2、CPUTargetList

描述如下：

对于多core的系统，会给每个core一个编号。gicv2支持最多8个core，因此core的编号就是0-7，刚好8个bit，可以表示。

这样的CPUTargetList，就和8个cpu相对应。第0bit，表示core0，第7bit，表示core7。

如果想给core1，core2，core7发送软中断，那么此时这个位域要填入0x84。

3、NSATT

描述如下：

这个用来支持安全扩展，在gicv2中，将中断进行了分组

  • group0：安全中断

  • group1：非安全中断

这个bit，用来表示发送的软中断，是安全中断，还是非安全中断。而且这个bit，只有core处于安全状态的时候，才能写。如果core是处于非安全状态，那么这个bit被忽略，也就是只能发非安全的软中断。

4、SGIINTID

发送的软中断的中断号。

十三、中断优先级

gicv2，支持最小16个，最大256个中断优先级，如下图所示：

如果实现的中断优先级小于256个，那么最低的几个bit，是为0的。

通过设置GICD_IPRIORITYRn寄存器，来设置中断的优先级。这个寄存器是字节有效的，也就是一个字节，对应一个中断的优先级。优先级数值越小，那么这个中断的优先级越高。

高优先级的中断，是可以抢占低优先级的中断。

十四、gic使用例子

下图是gic的使用例子：

外部的中断，连接到gic。由distributor进行中断分组。中断请求，由distributor发送给cpu interface，cpu interface再发送给处理器。

对于支持安全扩展，其应用如下：

安全中断，处于group0，非安全中断处于group1。

十五、gic寄存器

gic寄存器，分为两部分，一部分是distributor的寄存器，另一部分是cpu interface的寄存器。

两部分的寄存器，均是通过memory-mapped的方式来访问。

下图是distributor的寄存器：

下图是cpu interface的寄存器：

十六、总结

以上就是GICv2的介绍，更多的内容，需要查看gicv2的文档。

gicv2比较简单，最多只能支持8个core，超过了8个core，那么就不能使用gicv2了。不过这也不是大问题，对于手机的arm处理器来说，最多也就8个core。但是对于服务器，桌面级的arm处理器，那么就可能会超过8个core，此时gicv2就不适用了，所以ARM后面又加入GICv3，v4架构。

GICv2的寄存器，都是通过memory-mapped的方式访问。但是中断在一个soc系统中，是经常会产生的，那么处理器就会经常的读取gic的寄存器，而使用memory-mapped的方式去访问，就会影响中断响应速度。在之后的GICv3，v3中，就加入了使用系统寄存器来进行访问，加快中断处理。

GICv2只是一个gic的架构，其实现的对应的IP是gic400。

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