【Linux驱动-快速回顾】一文快速理解GIC内部寄存器对中断的控制

第一部分：GIC的功能和组成

1. GIC要解决的根本问题
在一个复杂的片上系统（SoC）中，有非常多的硬件模块（如定时器、串口、按键、DMA等），它们都需要在完成任务或遇到特定事件时通知CPU。同时，系统里可能有多个CPU核心。因此，必须有一个统一的、专门的硬件来管理这些中断请求。它需要解决：

  • 来源管理：管理成百上千个中断源。
  • 优先级仲裁：当多个中断同时发生时，决定哪个更重要，应该先被处理。
  • 中断路由：决定将一个中断发送给哪个CPU核心去处理。
  • 状态同步：确保CPU和中断控制器之间的状态是一致的，比如一个中断正在被处理时，就不应该再次打扰CPU。

GIC (Generic Interrupt Controller) 就是 ARM 定义的用来解决以上所有问题的标准硬件模块。

2. GIC的核心组件
根据文档，GIC 主要由两个功能模块组成，它们的职责划分非常清晰：

  • 分发器 (Distributor)

    • 职责：作为整个系统的中断“管理中心”和“仲裁中心”。
    • 具体工作：
      1. 接收所有中断：系统中所有外设的中断信号线都连接到 Distributor。
      2. 配置中断属性：软件通过 Distributor 的寄存器来配置每个中断的属性，包括：
        • 优先级 (Priority)：定义中断的重要程度。
        • 目标CPU (Target)：指定这个中断可以发送给哪些CPU核心。
        • 触发方式 (Configuration)：是电平触发还是边沿触发。
        • 使能/禁用 (Enable/Disable)：控制一个中断是否被允许。
      3. 仲裁：在所有已触发且被使能的中断中，找出优先级最高的那一个。
      4. 转发：将这个最高优先级的中断，转发给其目标CPU对应的“CPU接口”。

  • CPU接口 (CPU Interface)

    • 职责：作为 Distributor 和单个CPU核心之间的“信使”。每个CPU核心都有一个自己专属的 CPU Interface。
    • 具体工作：
      1. 接收中断：从 Distributor 接收已经仲裁过的、最高优先级的中断。
      2. 优先级过滤 (Masking)：CPU Interface 内部可以设置一个优先级阈值。如果接收到的中断的优先级不够高（低于这个阈值 ），它就不会去打扰CPU。
      3. 通知CPU：如果中断通过了优先级过滤，CPU Interface 会向其对应的CPU核心发出一个物理的中断信号（IRQ 或 FIQ）。
      4. 提供中断信息：当CPU响应中断后，软件可以通过读取 CPU Interface 的寄存器来获知当前中断的ID号。
      5. 处理完成通信：当软件处理完中断后，通过写入 CPU Interface 的寄存器来通知 GIC。

Distributor 负责多对多（多个中断源到多个CPU）的管理和决策；
CPU Interface 负责一对一（Distributor 到单个CPU）的通信和执行。

好的，我们完全按照要求，用更直接、无修饰的语言来重新讲解第二部分。我们将严格遵循硬件和软件的交互行为，来描述一个中断从产生到处理完成的全过程。

第二部分：从中断触发到CPU处理，发生了什么？

第1步：中断源触发与Pending状态的设置
  • 物理层：外部设备（如GPIO）的信号线电平发生变化，该信号被送入GIC Distributor。
  • GIC Distributor的行为：
    1. Distributor硬件逻辑检测到输入信号。
    2. 硬件查询该中断ID对应的使能寄存器（GICD_ISENABLERn）。
    3. 若该中断ID被使能，Distributor在内部状态寄存器中，将该中断ID的标志位设置为 Pending (挂起)。
  • Pending状态的定义：表示一个有效的中断请求已经由GIC记录，正在等待GIC的后续处理。
第2步：优先级仲裁
  • 内部事件：Distributor的仲裁逻辑被触发。这可能在有新的中断变为Pending状态时发生。
  • GIC Distributor的行为：
    1. 硬件逻辑扫描所有处于Pending状态的中断ID。
    2. 对于每一个Pending的中断ID，硬件会读取其对应的优先级寄存器（GICD_IPRIORITYRn）中的值。
    3. 硬件比较所有这些优先级值，并选择值最小（即优先级最高）的中断ID作为本次处理的目标。
  • 仲裁结果：Distributor确定了当前应该被处理的、优先级最高的中断请求。
第3步：向CPU接口转发与优先级过滤
  • 事件：Distributor已选出最高优先级的中断ID。
  • GIC Distributor的行为：
    1. 硬件读取该中断ID的目标处理器寄存器（GICD_ITARGETSRn），确定目标CPU。
    2. Distributor通过内部总线，将这个最高优先级的中断ID及其优先级信息，发送给目标CPU的专属CPU Interface。
  • GIC CPU Interface的行为：
    1. CPU Interface接收到来自Distributor的中断请求。
    2. 硬件执行优先级过滤：它将收到的中断的优先级，与CPU Interface内部的优先级屏蔽寄存器（GICC_PMR）的值，以及当前正在处理的中断的优先级组（如果有的话）进行比较。
    3. 只有当新中断的优先级严格高于过滤阈值时，该中断才被接受。
    4. 若中断被接受，CPU Interface会驱动连接到CPU核心的物理IRQ（或FIQ）信号线，使其变为有效电平。
第4步：CPU响应与中断确认 (Acknowledge)

  • 事件：CPU核心检测到其IRQ信号线变为有效。

  • CPU硬件的行为：

    1. 若CPU的中断屏蔽位（CPSR寄存器中的I/F位）未置位，CPU将暂停当前指令的执行。
    2. 硬件自动将程序计数器（PC）和相关寄存器压入当前模式的堆栈。
    3. 硬件强制将PC设置为中断向量表中预定义的IRQ异常向量地址。

  • 软件（异常处理程序）的行为：

    1. 位于异常向量地址的程序开始执行。其首要任务是执行对CPU Interface的 GICC_IAR (Interrupt Acknowledge Register) 的读操作。

  • 读GICC_IAR的直接后果：

    1. 对软件而言：该读操作返回一个32位值，其中包含了触发本次中断的硬件中断ID。
    2. 对GIC硬件而言：GIC检测到对GICC_IAR的读访问，会原子地更新该中断ID的状态：清除其Pending标志位，并设置其Active标志位。

  • Active状态的定义：表示该中断已被CPU获知，并且其对应的服务程序即将或正在执行。GIC将不会再次向CPU转发同一个处于Active状态的中断请求。

    • 并发情况：若一个中断在Active期间再次被外设触发，它的状态将变为Active and Pending。
第5步：中断服务程序执行
  • 事件：软件已从GICC_IAR获取了硬件中断ID。
  • 软件（操作系统）的行为：
    1. 软件使用该硬件中断ID作为索引，在中断分派表中查找对应的中断服务程序（ISR）的地址。
    2. 调用该ISR。
    3. ISR执行与中断源设备相关的特定操作。
第6步：中断处理完成与中断结束 (End of Interrupt)

  • 事件：中断服务程序（ISR）已执行完毕。

  • 软件（异常处理程序）的行为：

    1. 在从异常处理流程返回前，软件必须执行对CPU Interface的 GICC_EOIR (End of Interrupt Register) 的写操作，写入的值是第4步中获取的那个硬件中断ID。

  • 写GICC_EOIR的直接后果：

    1. 对GIC硬件而言：GIC检测到对GICC_EOIR的写访问，会清除该中断ID的Active标志位。
    2. 状态转移：
      • 如果该中断状态之前是单纯的Active，现在将变为Inactive（非活动）。
      • 如果该中断状态之前是Active and Pending，现在Active位被清除后，状态将变回Pending。GIC的仲裁逻辑会立刻将这个新的Pending中断纳入下一轮仲裁。

  • CPU恢复：软件执行异常返回指令（如SUBS PC, LR, #4），CPU从堆栈中恢复之前保存的上下文，并从被中断的指令处继续执行。

省流版本

1.中断发生，Distributor检测到输入信号，提取中断ID号，使能寄存器（GICD_ISENABLERn），将该中断状态寄存器设置为挂起Pending

2.Distributor找出当前触发的优先级最高的中断

3.Distributor提取当前最高优先级中断ID的目标CPU，转发给CPU专属的CPU Interface

4.CPU Interface接收到来自Distributor中断请求，将其优先级与优先级屏蔽寄存器的值比较，符合条件则：驱动连接到CPU核心的物理IRQ（或FIQ）信号线，使其变为有效电平

5.CPU核心检测到其IRQ信号线变为有效，且CPU的中断屏蔽位未置位：
停止当前指令执行，压栈：将程序计数器（PC）和相关寄存器压入当前模式的堆栈；

6.强制将PC设置为中断向量表中预定义的IRQ异常向量地址；

7.执行对CPU Interface的 GICC_IAR (Interrupt Acknowledge Register) 的读操作
原子地更新该中断ID的状态：清除其Pending标志位，并设置其Active标志位

8.执行对应对应中断，完成后执行对CPU Interface的 GICC_EOIR (End of Interrupt Register) 的写操作

9.软件执行异常返回指令（如SUBS PC, LR, #4），CPU从堆栈中恢复之前保存的上下文，并从被中断的指令处继续执行

第三部分：上文提到的中断寄存器专讲

我们继续按照触发顺序讲解这些寄存器
这样更能清晰一些

第1步：了解GIC硬件能力 (可选，但良好驱动的实践)

在配置之前，软件可以先读取一些只读寄存器，了解当前GIC的规格。

**GICD_TYPER 了解GIC一些基础信息

(Interrupt Controller Type Register)**
作用: 读取此寄存器，可以知道：
这个GIC最多支持多少个中断 (ITLinesNumber)、
实现了多少个CPU接口 (CPUNumber)、
是否支持安全扩展 (SecurityExtn) 等。
这让驱动可以动态适应不同的硬件。
在这里插入图片描述

位域名读写描述
15:11LSPIR如果GIC实现了安全扩展，则此字段的值是已实现的可锁定SPI的最大数量，范围为0（0b00000）到31（0b11111）。 如果此字段为0b00000，则GIC不会实现配置锁定。 如果GIC没有实现安全扩展，则保留该字段。
10SecurityExtnR表示GIC是否实施安全扩展： 0未实施安全扩展； 1实施了安全扩展
7:5CPUNumberR表示已实现的CPU interfaces的数量。 已实现的CPU interfaces数量比该字段的值大1。 例如，如果此字段为0b011，则有四个CPU interfaces。
4:0ITLinesNumberR表示GIC支持的最大中断数。 如果ITLinesNumber = N，则最大中断数为32*(N+1)。 中断ID的范围是0到（ID的数量– 1）。 例如：0b00011最多128条中断线，中断ID 0-127。 中断的最大数量为1020（0b11111）。 无论此字段定义的中断ID的范围如何，都将中断ID 1020-1023保留用于特殊目的
第2步：对每一个“计划使用”的中断进行单独配置
1.GICD_ICFGRn ：设置中断的触发方式

(Interrupt Configuration Registers)
置该中断是电平触发 (Level-sensitive) 还是边沿触发 (Edge-triggered)。这个必须根据外设的硬件手册来设置，否则中断会行为异常
在这里插入图片描述
这里两位代表一个中断，一个GICD_ICFGRn 寄存器能配置16个中断
已知硬件中断号m怎么知道GICD_ICFGRn 的n是多少？用m整除16即可得到n
然后是哪个字段？（两位等于一个字段）
假设中断号34，34/16=2，余2，所以F=2，所以寄存器位是【22，22+1】
也就是【4，5】
Int_config[1] (高位，即 bit[5])：0 = 电平触发, 1 = 边沿触发。
Int_config[0] (低位，即 bit[4])：保留位，通常写0。

2.Distributor (分组 , GICD) GICD_IGROUPRn

(GICD_ Interrupt GROUP Registers)

在这里插入图片描述
一位即可表示是否为安全中断，一个寄存器能给32个中断置位
某一位
置位 0（通常是安全中断，FIQ）
置位 1（通常是非安全中断，IRQ）的中断分发

非安全中断：给主操作系统（如Linux）用的常规中断

  • 是什么？
    • 处理普通任务的中断。
  • 谁产生？
    • 普通的、非敏感的硬件设备。比如：网卡、普通按键、串口、触摸屏。
  • 谁处理？
    • 主操作系统，比如你手机上的Android系统或电脑上的Linux/Windows系统。
  • 有什么用？
    • 让主操作系统知道硬件发生了事。比如网卡收到数据了，Linux内核就去处理这个数据。
  • 在GIC里怎么设置？
    • 通过 GICD_IGROUPRn 寄存器，把这个中断对应的位设置为 1。

安全中断 (Secure Interrupt / Group 0 Interrupt)
安全中断是给一个独立的安全系统用的特殊中断，主操作系统（如Linux）不能处理它，也通常不知道它的存在

  • 是什么？
    • 处理高度敏感和机密任务的中断。
  • 谁产生？
    • 受保护的、敏感的硬件设备。比如：指纹传感器、加密芯片、安全定时器。
  • 谁处理？
    • 一个独立于主操作系统之外的、微型的安全系统（常被称为TEE，Trusted Execution Environment）。这个安全系统和Linux是隔离的。
  • 有什么用？
    • 处理那些绝对不能让主操作系统（比如Linux）接触到的数据。比如，指纹识别过程中的数据，必须由安全系统处理，以防被Linux上的恶意软件窃取。
  • 在GIC里怎么设置？
    • 通过 GICD_IGROUPRn 寄存器，把这个中断对应的位设置为 0。
3.优先级 (Priority) - GICD_IPRIORITYRn

在这里插入图片描述
因为设置了256个优先级，所以描述一个中断的优先级需要8位
一个寄存器32位可以设置四个中断的优先级

目标CPU (Targeting) - GICD_ITARGETSRn (主要用于SPI)

在这里插入图片描述
这个是GICV2版本下，采用位图方式（每一位代表一个目标CPU），最多只支持8核CPU。

第3步：使能/禁用中断
1.GICD_ISENABLERn (Set-Enable) / GICD_ICENABLERn (Clear-Enable)

(中断分发)
( Interrupt Set-Enable Registers)
在这里插入图片描述
每一位控制一个中断的转发，如果没有
向 GICD_ISENABLERn 的 bit 位写1来使能中断。
向 GICD_ICENABLERn 的 bit 位写1来禁用中断。
“转发” = 传递中断信号给CPU核心

中断首先由GIC接收。但GIC是否会将该中断传递（转发）给CPU核心，取决于以下条件
1.中断是否使能（由2.ICD_ISENABLERn/GICD_ICENABLERn控制）。 中断的优先级、目标CPU核心等其他配置是否满足。

第4步：配置CPU接口
1.优先级屏蔽:GICC_PMR

Interrupt Priority Mask Register
作用: 设置当前CPU的优先级“门槛”。CPU将只处理优先级高于此寄存器值的中断（即优先级数值小于PMR值）。
32位寄存器，只有前八位有效，因为前面的也是八位优先级在这里插入图片描述

2.优先级分组-GICC_BPR

Binary Point Register
在这里插入图片描述
GICC_BPR 寄存器里那3位 [2:0] 的值 (0到7)，就定义了拆分的“分割点”。
这个分割点 BPR_Value 的含义是：8位优先级中，有多少位属于子优先级。
8位优先级： [ bit7, bit6, bit5, bit4, bit3, bit2, bit1, bit0 ]
在这里插入图片描述

第4步：打开总开关 (最后一步)
GICD_CTLR (Distributor Control Register)

作用: 分发器总开关。
在这里插入图片描述

把它理解为整个GIC分发器的“总电源开关”就对了。
在你把所有中断都精心配置好（设置好优先级、目标CPU、触发方式等）之后，最后一步就是打开这个总开关，GIC才能正式开始工作。

  • 位 [0] - EnableGrp0 (使能组0)

    • 作用：控制 Group 0 中断的转发。
    • 0：关闭。所有属于Group 0的中断，即使已经触发（处于pending状态），也会被GIC分发器拦住，不会被发送给任何CPU接口。就像闸门A关闭了。
    • 1：打开。GIC分发器会根据优先级规则，将处于pending状态的Group 0中断正常转发给CPU接口。就像闸门A打开了。

  • 位 [1] - EnableGrp1 (使能组1)

    • 作用：控制 Group 1 中断的转发。
    • 0：关闭。所有属于Group 1的中断都会被拦住，不会被发送出去。就像闸门B关闭了。
    • 1：打开。GIC分发器会根据优先级规则，将处于pending状态的Group 1中断正常转发给CPU接口。就像闸门B打开了。
GICC_CTLR (CPU Interface Control Register)

作用: 当前CPU接口的总开关。
GICC_CTLR 就是每个CPU核心自己的“中断接收器开关”。

主要功能：它到底控制了什么？

它主要控制两件大事：

  1. 全局开关：决定当前这个 CPU 核心是否要开始处理中断。
  2. 高级行为配置：微调一些中断处理的细节，比如如何结束中断、如何处理被屏蔽的信号等。

位域讲解 (Bit Fields)

我们直接按功能块来讲解最重要的几个位，这比按数字顺序更容易理解。

1. 最重要的全局开关

  • EnableGrp0 (位 0)

    • 功能：Group 0 (安全中断, 通常是 FIQ) 的总开关。
    • 设置为 1: 允许当前 CPU 核心接收并处理来自 GIC 的 Group 0 中断。
    • 设置为 0: 屏蔽当前 CPU 核心的所有 Group 0 中断。即使 GIC 已经把中断信号发过来了，到这里也会被挡住。

  • EnableGrp1 (位 1)

    • 功能：Group 1 (非安全中断, 通常是 IRQ) 的总开关。
    • 设置为 1: 允许当前 CPU 核心接收并处理来自 GIC 的 Group 1 中断。
    • 设置为 0: 屏蔽当前 CPU 核心的所有 Group 1 中断。

使用要点：在系统初始化时，必须根据你需要处理的中断类型，将这两位或其中一位设置为 1。这是让中断系统工作的最基本前提。

2. 中断结束行为的配置

  • EOImode (位 9)
    • 功能：控制**“中断结束”** (GICC_EOIR 寄存器) 的行为模式。
    • 背景：当你向 GICC_EOIR 写入一个值表示中断处理完毕时，GIC 硬件内部会做两件事：
      1. 优先级降低 (Priority Drop)：允许其他中断可以抢占。
      2. 中断去激活 (Deactivation)：将中断状态从“Active”移除。
    • EOImode = 0 (默认模式)：写一次 GICC_EOIR，硬件自动完成上面两件事。简单直接。
    • EOImode = 1 (分离模式)：写一次 GICC_EOIR，硬件只做第一件事（降低优先级）。你需要再向另一个寄存器 GICC_DIR 写入相同的值，才能完成第二件事（去激活）。这是一种性能优化手段，用于复杂的嵌套中断，普通应用用不到。

3. 中断信号传递的微调

  • FIQEn (位 3)

    • 功能：决定 GIC 的 CPU 接口是否要将 Group 0 的中断信号物理地传递给 CPU 的 FIQ 引脚。
    • 设置为 1: 正常传递，触发 FIQ 异常。
    • 设置为 0: 不传递。等于在软件层面掐断了 FIQ 信号线。

  • CBPR (位 4) - Control Bypass and Priority Register

    • 功能：控制 Group 0 和 Group 1 中断的优先级处理方式。
    • CBPR = 0: Group 0 和 Group 1 的中断共享同一个优先级寄存器 (GICC_PMR)。
    • CBPR = 1: Group 0 和 Group 1 使用各自独立的优先级处理逻辑。这允许你为安全中断和非安全中断设置不同的优先级屏蔽策略。

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