Linux BSP实战课（中断篇）：中断控制器的驱动实现

GIC 驱动

设备树

初始化

中断的映射

数据结构

中断控制器注册 irq_domain

外设的驱动创建硬中断和虚拟中断号的映射关系

中断的注册

中断的处理

保护现场

中断处理

恢复现场

总结

GIC 驱动

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@48000000 {
 compatible = "arm,gic-v3";
 reg = <0 0x48000000 0 0x10000>,
       <0 0x48040000 0 0xc0000>;
 #interrupt-cells = <3>;
 interrupt-controller;
 interrupts = <GIC_PPI 9 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)NULL) ? 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 registersn", node);
  return -ENXIO;
 }

 err = gic_validate_dist_version(dist_base);                              ------(2)
 if (err) {
  pr_err("%pOF: no distributor detected, giving upn", 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 %dn", 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;
}

映射 GICD 的寄存器地址空间。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）。通过 DTS 读取 redistributor-regions 的值。为一个 GICR 域分配基地址。通过 DTS 读取 redistributor-stride 的值。下面详细介绍。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;
  ......
}

确认支持 SPI 中断号最大的值为多少。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。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。gic 虚拟化相关的内容。初始化 ITS。设置 SMP 核间交互的回调函数，用于 IPI，回到函数为 gic_raise_softir。初始化 Distributor。初始化 CPU interface。初始化 GIC 电源管理。

中断的映射

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。