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：
  1. 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；
  2. 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；
  3. 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：
  1. 全局开关控制Distributor分发到CPU Interface；
  2. 打开或关闭每个中断；
  3. 设置每个中断的优先级；
  4. 设置每个中断将路由的CPU列表；
  5. 设置每个外设中断的触发方式：电平触发、边缘触发；
  6. 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；
  7. 将SGI中断分发到目标CPU上；
  8. 每个中断的状态可见；
  9. 提供软件机制来设置和清除外设中断的pending状态；
• CPU Interface功能：
  1. 使能中断请求信号到CPU上；
  2. 中断的确认；
  3. 标识中断处理的完成；
  4. 为处理器设置中断优先级掩码；
  5. 设置处理器的中断抢占策略；
  6. 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：

1. GIC捕获中断信号，中断信号assert，标记为pending状态；
2. 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；
3. CPU Interface来决定是否将中断信号发送至目标CPU；
4. CPU完成中断处理后，发送一个完成信号EOI(End of Interrupt)给GIC；