【原创】Linux中断子系统(一)-中断控制器及驱…
2020-05-31 16:01:04来源:博客园 阅读 ()
【原创】Linux中断子系统(一)-中断控制器及驱动分析
背景
Read the fucking source code!
--By 鲁迅A picture is worth a thousand words.
--By 高尔基
说明:
- Kernel版本:4.14
- ARM64处理器,Contex-A53,双核
- 使用工具:Source Insight 3.5, Visio
1. 概述
从这篇文章开始,来聊一聊中断子系统。
中断是处理器用于异步处理外围设备请求的一种机制,可以说中断处理是操作系统管理外围设备的基石,此外系统调度、核间交互等都离不开中断,它的重要性不言而喻。
来一张概要的分层图:
- 硬件层:最下层为硬件连接层,对应的是具体的外设与SoC的物理连接,中断信号是从外设到中断控制器,由中断控制器统一管理,再路由到处理器上;
- 硬件相关层:这个层包括两部分代码,一部分是架构相关的,比如ARM64处理器处理中断相关,另一部分是中断控制器的驱动代码;
- 通用层:这部分也可以认为是框架层,是硬件无关层,这部分代码在所有硬件平台上是通用的;
- 用户层:这部分也就是中断的使用者了,主要是各类设备驱动,通过中断相关接口来进行申请和注册,最终在外设触发中断时,进行相应的回调处理;
中断子系统系列文章,会包括硬件相关、中断框架层、上半部与下半部、Softirq、Workqueue等机制的介绍,本文会先介绍硬件相关的原理及驱动,前戏结束,直奔主题。
2. 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: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
;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
;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:- 全局开关控制
Distributor
分发到CPU Interface
; - 打开或关闭每个中断;
- 设置每个中断的优先级;
- 设置每个中断将路由的CPU列表;
- 设置每个外设中断的触发方式:电平触发、边缘触发;
- 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;
- 将
SGI
中断分发到目标CPU上; - 每个中断的状态可见;
- 提供软件机制来设置和清除外设中断的pending状态;
- 全局开关控制
-
CPU Interface
功能:- 使能中断请求信号到CPU上;
- 中断的确认;
- 标识中断处理的完成;
- 为处理器设置中断优先级掩码;
- 设置处理器的中断抢占策略;
- 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:
- GIC捕获中断信号,中断信号assert,标记为pending状态;
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
;CPU Interface
来决定是否将中断信号发送至目标CPU;- CPU完成中断处理后,发送一个完成信号
EOI(End of Interrupt)
给GIC;
3. GIC驱动分析
3.1 设备信息添加
ARM平台的设备信息,都是通过Device Tree
设备树来添加,设备树信息放置在arch/arm64/boot/dts/
下
下图就是一个中断控制器的设备树信息:
compatible
字段:用于与具体的驱动来进行匹配,比如图片中arm, gic-400
,可以根据这个名字去匹配对应的驱动程序;interrupt-cells
字段:用于指定编码一个中断源所需要的单元个数,这个值为3。比如在外设在设备树中添加中断信号时,通常能看到类似interrupts = <0 23 4>;
的信息,第一个单元0,表示的是中断类型(1:PPI,0:SPI
),第二个单元23表示的是中断号,第三个单元4表示的是中断触发的类型;reg
字段:描述中断控制器的地址信息以及地址范围,比如图片中分别制定了GIC Distributor(GICD)
和GIC CPU Interface(GICC)
的地址信息;interrupt-controller
字段:表示该设备是一个中断控制器,外设可以连接在该中断控制器上;- 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;
设备树的信息,是怎么添加到系统中的呢?Device Tree
最终会编译成dtb
文件,并通过Uboot传递给内核,在内核启动后会将dtb
文件解析成device_node
结构。关于设备树的相关知识,本文先不展开,后续再找机会补充。来一张图,先简要介绍下关键路径:
- 设备树的节点信息,最终会变成
device_node
结构,在内存中维持一个树状结构; - 设备与驱动,会根据
compatible
字段进行匹配;
3.2 驱动流程分析
GIC驱动的执行流程如下图所示:
- 首先需要了解一下链接脚本
vmlinux.lds
,脚本中定义了一个__irqchip_of_table
段,该段用于存放中断控制器信息,用于最终来匹配设备; - 在GIC驱动程序中,使用
IRQCHIP_DECLARE
宏来声明结构信息,包括compatible
字段和回调函数,该宏会将这个结构放置到__irqchip_of_table
字段中; - 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-400
去查找对应的设备节点,并获取设备的信息。中断控制器也存在级联的情况,of_irq_init
函数中也处理了这种情况; 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驱动的初始化入口函数了;- GIC的工作,本质上是由中断信号来驱动,因此驱动本身的工作就是完成各类信息的初始化,注册好相应的回调函数,以便能在信号到来之时去执行;
set_smp_process_call
设置__smp_cross_call
函数指向gic_raise_softirq
,本质上就是通过软件来触发GIC的SGI中断
,用于核间交互;cpuhp_setup_state_nocalls
函数,设置好CPU进行热插拔时GIC的回调函数,以便在CPU热插拔时做相应处理;set_handle_irq
函数的设置很关键,它将全局函数指针handle_arch_irq
指向了gic_handle_irq
,而处理器在进入中断异常时,会跳转到handle_arch_irq
执行,所以,可以认为它就是中断处理的入口函数了;- 驱动中完成了各类函数的注册,此外还完成了
irq_chip
,irq_domain
等结构体的初始化,这些结构在下文会进一步分析; - 最后,完成GIC硬件模块的初始化设置,以及电源管理相关的注册等工作;
3.3 数据结构分析
先来张图:
- GIC驱动中,使用
struct gic_chip_data
结构体来描述GIC控制器的信息,整个驱动都是围绕着该结构体的初始化,驱动中将函数指针都初始化好,实际的工作是由中断信号触发,也就是在中断来临的时候去进行回调; struct irq_chip
结构,描述的是中断控制器的底层操作函数集,这些函数集最终完成对控制器硬件的操作;struct irq_domain
结构,用于硬件中断号和Linux IRQ中断号(virq,虚拟中断号)之间的映射;
还是上一下具体的数据结构代码吧,关键注释如下:
struct irq_chip {
struct device *parent_device; //指向父设备
const char *name; // /proc/interrupts中显示的名字
unsigned int (*irq_startup)(struct irq_data *data); //启动中断,如果设置成NULL,则默认为enable
void (*irq_shutdown)(struct irq_data *data); //关闭中断,如果设置成NULL,则默认为disable
void (*irq_enable)(struct irq_data *data); //中断使能,如果设置成NULL,则默认为chip->unmask
void (*irq_disable)(struct irq_data *data); //中断禁止
void (*irq_ack)(struct irq_data *data); //开始新的中断
void (*irq_mask)(struct irq_data *data); //中断源屏蔽
void (*irq_mask_ack)(struct irq_data *data); //应答并屏蔽中断
void (*irq_unmask)(struct irq_data *data); //解除中断屏蔽
void (*irq_eoi)(struct irq_data *data); //中断处理结束后调用
int (*irq_set_affinity)(struct irq_data *data, const struct cpumask *dest, bool force); //在SMP中设置CPU亲和力
int (*irq_retrigger)(struct irq_data *data); //重新发送中断到CPU
int (*irq_set_type)(struct irq_data *data, unsigned int flow_type); //设置中断触发类型
int (*irq_set_wake)(struct irq_data *data, unsigned int on); //使能/禁止电源管理中的唤醒功能
void (*irq_bus_lock)(struct irq_data *data); //慢速芯片总线上的锁
void (*irq_bus_sync_unlock)(struct irq_data *data); //同步释放慢速总线芯片的锁
void (*irq_cpu_online)(struct irq_data *data);
void (*irq_cpu_offline)(struct irq_data *data);
void (*irq_suspend)(struct irq_data *data);
void (*irq_resume)(struct irq_data *data);
void (*irq_pm_shutdown)(struct irq_data *data);
void (*irq_calc_mask)(struct irq_data *data);
void (*irq_print_chip)(struct irq_data *data, struct seq_file *p);
int (*irq_request_resources)(struct irq_data *data);
void (*irq_release_resources)(struct irq_data *data);
void (*irq_compose_msi_msg)(struct irq_data *data, struct msi_msg *msg);
void (*irq_write_msi_msg)(struct irq_data *data, struct msi_msg *msg);
int (*irq_get_irqchip_state)(struct irq_data *data, enum irqchip_irq_state which, bool *state);
int (*irq_set_irqchip_state)(struct irq_data *data, enum irqchip_irq_state which, bool state);
int (*irq_set_vcpu_affinity)(struct irq_data *data, void *vcpu_info);
void (*ipi_send_single)(struct irq_data *data, unsigned int cpu);
void (*ipi_send_mask)(struct irq_data *data, const struct cpumask *dest);
unsigned long flags;
};
struct irq_domain {
struct list_head link; //用于添加到全局链表irq_domain_list中
const char *name; //IRQ domain的名字
const struct irq_domain_ops *ops; //IRQ domain映射操作函数集
void *host_data; //在GIC驱动中,指向了irq_gic_data
unsigned int flags;
unsigned int mapcount; //映射中断的个数
/* Optional data */
struct fwnode_handle *fwnode;
enum irq_domain_bus_token bus_token;
struct irq_domain_chip_generic *gc;
#ifdef CONFIG_IRQ_DOMAIN_HIERARCHY
struct irq_domain *parent; //支持级联的话,指向父设备
#endif
#ifdef CONFIG_GENERIC_IRQ_DEBUGFS
struct dentry *debugfs_file;
#endif
/* reverse map data. The linear map gets appended to the irq_domain */
irq_hw_number_t hwirq_max; //IRQ domain支持中断数量的最大值
unsigned int revmap_direct_max_irq;
unsigned int revmap_size; //线性映射的大小
struct radix_tree_root revmap_tree; //Radix Tree映射的根节点
unsigned int linear_revmap[]; //线性映射用到的查找表
};
struct irq_domain_ops {
int (*match)(struct irq_domain *d, struct device_node *node,
enum irq_domain_bus_token bus_token); // 用于中断控制器设备与IRQ domain的匹配
int (*select)(struct irq_domain *d, struct irq_fwspec *fwspec,
enum irq_domain_bus_token bus_token);
int (*map)(struct irq_domain *d, unsigned int virq, irq_hw_number_t hw); //用于硬件中断号与Linux中断号的映射
void (*unmap)(struct irq_domain *d, unsigned int virq);
int (*xlate)(struct irq_domain *d, struct device_node *node,
const u32 *intspec, unsigned int intsize,
unsigned long *out_hwirq, unsigned int *out_type); //通过device_node,解析硬件中断号和触发方式
#ifdef CONFIG_IRQ_DOMAIN_HIERARCHY
/* extended V2 interfaces to support hierarchy irq_domains */
int (*alloc)(struct irq_domain *d, unsigned int virq,
unsigned int nr_irqs, void *arg);
void (*free)(struct irq_domain *d, unsigned int virq,
unsigned int nr_irqs);
void (*activate)(struct irq_domain *d, struct irq_data *irq_data);
void (*deactivate)(struct irq_domain *d, struct irq_data *irq_data);
int (*translate)(struct irq_domain *d, struct irq_fwspec *fwspec,
unsigned long *out_hwirq, unsigned int *out_type);
#endif
};
3.3.1 IRQ domain
IRQ domain用于将硬件的中断号,转换成Linux系统中的中断号(virtual irq, virq
),来张图:
- 每个中断控制器都对应一个IRQ Domain;
- 中断控制器驱动通过
irq_domain_add_*()
接口来创建IRQ Domain; - IRQ Domain支持三种映射方式:linear map(线性映射),tree map(树映射),no map(不映射);
- linear map:维护固定大小的表,索引是硬件中断号,如果硬件中断最大数量固定,并且数值不大,可以选择线性映射;
- tree map:硬件中断号可能很大,可以选择树映射;
- no map:硬件中断号直接就是Linux的中断号;
三种映射的方式如下图:
- 图中描述了三个中断控制器,对应到三种不同的映射方式;
- 各个控制器的硬件中断号可以一样,最终在Linux内核中映射的中断号是唯一的;
4. Arch-speicific代码分析
- 中断也是异常模式的一种,当外设触发中断时,处理器会切换到特定的异常模式进行处理,而这部分代码都是架构相关的;ARM64的代码位于
arch/arm64/kernel/entry.S
。 - ARM64处理器有四个异常级别Exception Level:0~3,EL0级对应用户态程序,EL1级对应操作系统内核态,EL2级对应Hypervisor,EL3级对应Secure Monitor;
- 异常触发时,处理器进行切换,并且跳转到异常向量表开始执行,针对中断异常,最终会跳转到
irq_handler
中;
代码比较简单,如下:
/*
* Interrupt handling.
*/
.macro irq_handler
ldr_l x1, handle_arch_irq
mov x0, sp
irq_stack_entry
blr x1
irq_stack_exit
.endm
来张图:
- 中断触发,处理器去异常向量表找到对应的入口,比如EL0的中断跳转到
el0_irq
处,EL1则跳转到el1_irq
处; - 在GIC驱动中,会调用
set_handle_irq
接口来设置handle_arch_irq
的函数指针,让它指向gic_handle_irq
,因此中断触发的时候会跳转到gic_handle_irq
处执行; gic_handle_irq
函数处理时,分为两种情况,一种是外设触发的中断,硬件中断号在16 ~ 1020
之间,一种是软件触发的中断,用于处理器之间的交互,硬件中断号在16以内;- 外设触发中断后,根据
irq domain
去查找对应的Linux IRQ中断号,进而得到中断描述符irq_desc
,最终也就能调用到外设的中断处理函数了;
GIC和Arch相关的介绍就此打住,下一篇文章会接着介绍通用的中断处理框架,敬请期待。
参考
ARM Generic Interrupt Controller Architecture version 2.0
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原文链接:https://www.cnblogs.com/LoyenWang/p/12996812.html
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