中断控制器的驱动解析(上)

这里主要分析 linux kernel 中 GIC v3 中断控制器的代码(drivers/irqchip/irq-gic-v3.c)。

设备树

先来看下一个中断控制器的设备树信息：

gic: interrupt-controller@51a00000 {
 compatible = "arm,gic-v3";
 reg = <0x0 0x51a00000 0 0x10000>, /* GIC Dist */
 <0x0 0x51b00000 0 0xC0000>, /* GICR */
 <0x0 0x52000000 0 0x2000>, /* GICC */
 <0x0 0x52010000 0 0x1000>, /* GICH */
 <0x0 0x52020000 0 0x20000>; /* GICV */
#interrupt-cells = <3>;
 interrupt-controller;
 interrupts = <GIC_PPI 9
 (GIC_CPU_MASK_SIMPLE(6) | IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH)>;
 interrupt-parent = <&gic>;
};

• compatible：用于匹配GICv3驱动
• reg ：GIC的物理基地址，分别对应GICD,GICR,GICC…
• #interrupt-cells：这是一个中断控制器节点的属性。它声明了该中断控制器的中断指示符(interrupts)中 cell 的个数
• interrupt-controller: 表示该节点是一个中断控制器
• interrupts：分别代表中断类型，中断号，中断类型， PPI中断亲和， 保留字段

关于设备数的各个字段含义，详细可以参考 Documentation/devicetree/bindings 下的对应信息。

初始化

1. irq chip driver 的声明：

IRQCHIP_DECLARE(gic_v3, "arm,gic-v3", gic_of_init);

定义 IRQCHIP_DECLARE 之后，相应的内容会保存到 __irqchip_of_table 里边:

#define IRQCHIP_DECLARE(name, compat, fn) OF_DECLARE_2(irqchip, name, compat, fn)

#define OF_DECLARE_2(table, name, compat, fn) \ 
 _OF_DECLARE(table, name, compat, fn, of_init_fn_2)

#define _OF_DECLARE(table, name, compat, fn, fn_type) \ 
static const struct of_device_id __of_table_##name \ 
 __used __section(__##table##_of_table) \ 
 = { .compatible = compat, \ 
 .data = (fn == (fn_type)) ? fn : fn }

__irqchip_of_table 在链接脚本 vmlinux.lds 里，被放到了 __irqchip_begin 和 __irqchip_of_end 之间，该段用于存放中断控制器信息：

#ifdef CONFIG_IRQCHIP
#define IRQCHIP_OF_MATCH_TABLE() \
 . = ALIGN(8); \
 VMLINUX_SYMBOL(__irqchip_begin) = .; \
 *(__irqchip_of_table) \
 *(__irqchip_of_end)
#endif

在内核启动初始化中断的函数中，of_irq_init 函数会去查找设备节点信息，该函数的传入参数就是 __irqchip_of_table 段，由于 IRQCHIP_DECLARE 已经将信息填充好了，of_irq_init 函数会根据 “arm,gic-v3” 去查找对应的设备节点，并获取设备的信息。or_irq_init 函数中，最终会回调 IRQCHIP_DECLARE 声明的回调函数，也就是 gic_of_init，而这个函数就是 GIC 驱动的初始化入口。

2. gic_of_init 流程：

static int __init gic_of_init(struct device_node *node, struct device_node *parent)
{
 ......
 dist_base = of_iomap(node, 0); ------(1)
if (!dist_base) {
 pr_err("%pOF: unable to map gic dist registers\n", node);
return -ENXIO;
 }

 err = gic_validate_dist_version(dist_base); ------(2)
if (err) {
 pr_err("%pOF: no distributor detected, giving up\n", node);
goto out_unmap_dist;
 }

if (of_property_read_u32(node, "#redistributor-regions", &nr_redist_regions)) ------(3)
 nr_redist_regions = 1;

 rdist_regs = kzalloc(sizeof(*rdist_regs) * nr_redist_regions, GFP_KERNEL);
if (!rdist_regs) {
 err = -ENOMEM;
goto out_unmap_dist;
 }

for (i = 0; i < nr_redist_regions; i++) { ------(4)
struct resource res;
int ret;

 ret = of_address_to_resource(node, 1 + i, &res);
 rdist_regs[i].redist_base = of_iomap(node, 1 + i);
if (ret || !rdist_regs[i].redist_base) {
 pr_err("%pOF: couldn't map region %d\n", node, i);
 err = -ENODEV;
goto out_unmap_rdist;
 }
 rdist_regs[i].phys_base = res.start;
 }

if (of_property_read_u64(node, "redistributor-stride", &redist_stride)) ------(5)
 redist_stride = 0;

 err = gic_init_bases(dist_base, rdist_regs, nr_redist_regions, ------(6)
 redist_stride, &node->fwnode);
if (err)
goto out_unmap_rdist;

 gic_populate_ppi_partitions(node); ------(7)
 gic_of_setup_kvm_info(node);
return 0;
 ......
return err;
}

1. 映射 GICD 的寄存器地址空间。
2. 验证 GICD 的版本是 GICv3 还是 GICv4（主要通过读GICD_PIDR2寄存器bit[7:4]. 0x1代表GICv1， 0x2代表GICv2…以此类推）。
3. 通过 DTS 读取 redistributor-regions 的值。
4. 为一个 GICR 域分配基地址。
5. 通过 DTS 读取 redistributor-stride 的值。
6. 下面详细介绍。
7. 设置一组 PPI 的亲和性。

static int __init gic_init_bases(void __iomem *dist_base,
 struct redist_region *rdist_regs,
 u32 nr_redist_regions,
 u64 redist_stride,
 struct fwnode_handle *handle)
{
 ......
 typer = readl_relaxed(gic_data.dist_base + GICD_TYPER); ------(1)
 gic_data.rdists.id_bits = GICD_TYPER_ID_BITS(typer);
 gic_irqs = GICD_TYPER_IRQS(typer);
if (gic_irqs > 1020)
 gic_irqs = 1020;
 gic_data.irq_nr = gic_irqs;

 gic_data.domain = irq_domain_create_tree(handle, &gic_irq_domain_ops, ------(2)
 &gic_data);
 gic_data.rdists.rdist = alloc_percpu(typeof(*gic_data.rdists.rdist));
 gic_data.rdists.has_vlpis = true;
 gic_data.rdists.has_direct_lpi = true;
 ......
 set_handle_irq(gic_handle_irq); ------(3)

 gic_update_vlpi_properties(); ------(4)

if (IS_ENABLED(CONFIG_ARM_GIC_V3_ITS) && gic_dist_supports_lpis())
 its_init(handle, &gic_data.rdists, gic_data.domain); ------(5)

 gic_smp_init(); ------(6)
 gic_dist_init(); ------(7)
 gic_cpu_init(); ------(8)
 gic_cpu_pm_init(); ------(9)

return 0;
 ......
}

1. 确认支持 SPI 中断号最大的值为多少。
2. 向系统中注册一个 irq domain 的数据结构，irq_domain主要作用是将硬件中断号映射到IRQ number，后面会做详细的介绍。
3. 设定 arch 相关的 irq handler。gic_irq_handle 是内核 gic 中断处理的入口函数，后面会做详细的介绍。
4. gic 虚拟化相关的内容。
5. 初始化 ITS。
6. 设置 SMP 核间交互的回调函数，用于 IPI，回到函数为 gic_raise_softir。
7. 初始化 Distributor。
8. 初始化 CPU interface。
9. 初始化 GIC 电源管理。

中断映射

当早期的系统只存在一个中断控制器，而且中断数目也不多的时候，一个很简单的做法就是一个中断号对应到中断控制器的一个号，可以说是简单的线性映射：

但当一个系统中有多个中断控制器，而且中断号也逐渐增加的时候。linux 内核为了应对此问题，引入了 irq_domain 的概念。

irq_domain 的引入相当于一个中断控制器就是一个 irq_domain。这样一来所有的中断控制器就会出现级联的布局。利用树状的结构可以充分的利用 irq 数目，而且每一个 irq_domain 区域可以自己去管理自己 interrupt 的特性。

每一个中断控制器对应多个中断号， 而硬件中断号在不同的中断控制器上是会重复编码的， 这时仅仅用硬中断号已经不能唯一标识一个外设中断，因此 linux kernel 提供了一个虚拟中断号的概念。

接下来我们看下硬件中断号是如何映射到虚拟中断号的。