GIC硬件原理

• ARM公司提供了一個通用的中斷控制器GIC（Generic Interrupt Controller），GIC的版本包括V1 ~ V4，由于本人使用的SoC中的中斷控制器是V2版本，本文將圍繞GIC-V2來展開介紹；

來一張功能版的框圖：

• GIC-V2從功能上說，除了常用的中斷使能、中斷屏蔽、優先級管理等功能外，還支持安全擴展、虛擬化等；
• GIC-V2從組成上說，主要分為Distributor和CPU Interface兩個模塊，Distributor主要負責中斷源的管理，包括優先級的處理，屏蔽、搶占等，并將最高優先級的中斷分發給CPU Interface，CPU Interface主要用于連接處理器，與處理器進行交互；
• Virtual Distributor和Virtual CPU Interface都與虛擬化相關，本文不深入分析；

再來一張細節圖看看Distributor和CPU Interface的功能：

• GIC-V2支持三種類型的中斷：
  1. SGI(software-generated interrupts)：軟件產生的中斷，主要用于核間交互，內核中的IPI：inter-processor interrupts就是基于SGI，中斷號ID0 - ID15用于SGI；
  2. PPI(Private Peripheral Interrupt)：私有外設中斷，每個CPU都有自己的私有中斷，典型的應用有local timer，中斷號ID16 - ID31用于PPI；
  3. SPI(Shared Peripheral Interrupt)：共享外設中斷，中斷產生后，可以分發到某一個CPU上，中斷號ID32 - ID1019用于SPI，ID1020 - ID1023保留用于特殊用途；
• Distributor功能：
  1. 全局開關控制Distributor分發到CPU Interface；
  2. 打開或關閉每個中斷；
  3. 設置每個中斷的優先級；
  4. 設置每個中斷將路由的CPU列表；
  5. 設置每個外設中斷的觸發方式：電平觸發、邊緣觸發；
  6. 設置每個中斷的Group：Group0或Group1，其中Group0用于安全中斷，支持FIQ和IRQ，Group1用于非安全中斷，只支持IRQ；
  7. 將SGI中斷分發到目標CPU上；
  8. 每個中斷的狀態可見；
  9. 提供軟件機制來設置和清除外設中斷的pending狀態；
• CPU Interface功能：
  1. 使能中斷請求信號到CPU上；
  2. 中斷的確認；
  3. 標識中斷處理的完成；
  4. 為處理器設置中斷優先級掩碼；
  5. 設置處理器的中斷搶占策略；
  6. 確定處理器的最高優先級pending中斷；

中斷處理的狀態機如下圖：

• Inactive：無中斷狀態；
• Pending：硬件或軟件觸發了中斷，但尚未傳遞到目標CPU，在電平觸發模式下，產生中斷的同時保持pending狀態；
• Active：發生了中斷并將其傳遞給目標CPU，并且目標CPU可以處理該中斷；
• Active and pending：發生了中斷并將其傳遞給目標CPU，同時發生了相同的中斷并且該中斷正在等待處理；

GIC檢測中斷流程如下：

1. GIC捕獲中斷信號，中斷信號assert，標記為pending狀態；
2. Distributor確定好目標CPU后，將中斷信號發送到目標CPU上，同時，對于每個CPU，Distributor會從pending信號中選擇最高優先級中斷發送至CPU Interface；
3. CPU Interface來決定是否將中斷信號發送至目標CPU；
4. CPU完成中斷處理后，發送一個完成信號EOI(End of Interrupt)給GIC；