[笔记] GICv3/v4 ITS 与 LPI

0. 写在前面

由于移植一个 pcie 设备驱动时，需要处理该 pcie 设备的 msi 中断(message signaled interrup)。
在 ARM 中， ARM 建议 msi 中断实现方式为： pcie 设备往 cpu 的一段特殊内存（寄存器）写某一个值，触发 LPI 中断，来实现 pcie 的 MSI 中断。

本篇笔记是学习 《ARM? Generic Interrupt Controller Architecture Specification - GIC architecture version 3.0 and version 4.0》第 6 章所做的笔记。

1. LPI 中断

只有 GICv3/v4 支持 LPI(Locality-specific Peripheral Interrupts: 局部外设中断) 。

LPI 可以理解为非共享外设中断(Non-Shared Peripheral Interrupts)：只能发送给一个核处理（类比 SPI 不设置为 1- N 模式，可以由多个核处理）。

2. LPI 与 ITS(Interrupt Translation Service)

2.1 LPIs

LPI 是使用消息机制、边沿触发的中断。LPI 可以使用 ITS 来生成。ITS 可以生成一个 LPI 并将该 LPI 中断路由到一个指定的处理器核的 Redistributor 处理。

在 GICv3/v4 中，支持两种生成 LPI 的方式：

1. 使用 ITS 将一个设备写入的 EventID 翻译为指定的 LPI 中断；
2. 设备直接写 GICR_SETLPIR, 将 LPI 中断向量，发送给指定核的 Redistributor.

任一 SOC 芯片实现，只能使用上述两种方式之一。

如果一个 SOC 使用第二种方式生成 LPI(不实现 ITS)，那么该 SOC 的 Redistributor 必须实现如下的寄存器：

寄存器	描述
GICR_SETLPIR	设置某一 LPI 向量为挂起状态，并生成 LPI 中断
GICR_CLRLPIR	清除某一 LPI 向量的挂起状态
GICR_INVLPIR	使无效某一 LPI 向量的已缓存配置信息，并从物理内存中的配置信息表中，重新缓存该 LPI 向量的配置信息
GICR_INVALLR	使无效所有 LPI 向量的已缓存配置信息，并从物理内存中的配置信息表中，重新缓存所有 LPI 向量的配置信息
GICR_SYNCR	指示 Redistributor 的某一写操作是否完成，比如写 GICR_CLRLPIR 、GICR_INVLPIR 、GICR_INVALLR

如果一个 SOC 使用第一种方式生成 LPI（实现 ITS），那么至少可以生成 8192 个 LPI。因为 ITS 支持生成的 LPI 向量过多，所以 LPI 中断的配置信息、pending 状态信息被保存在物理内存中，而不是寄存器中。配置信息表与状态信息表地址存储在 Redistributor 寄存器中。下图展示了使用 ITS 生成 LPI 的流程框图：

LPI 在 SOC 中存在一片物理内存，每个核的 Redistributor 都可以接受某一指定 LPI 向量。

对于某一指定的 Redistributor，LPI 的配置与 pending 状态信息使用两种内存中的表维护：

1. LPI 配置表: 配置 LPI 向量的属性与使能位，LPI 配置表的基地址被定义在 GICR_PROPBASER 中，GICR_PROPBASER 应该在 GICR_CTLR.EnableLPIS 置 1 之前被更新。
2. LPI pending 状态表：LPI pending 状态信息表中的 LPI 向量 pending 位支持内存备份，这个表特定于某一指定 Redistributor(每个 Redistributor 都有自己的 Pending 状态表？)，表基地址被定义在 GICR_PENDBASER 中。

GICR_PROPBASER.IDBits 指定的支持的 LPI 中断数。
GICR_CTLR.EnableLPIS 置 1 表示使能 LPI。

2.1.1 LPI 配置表

LPI 配置表是全局的（所有的 Redistributor 使用同一份 LPI 配置表），GIC 是否支持 Redistributor 指向不同的 LPI 配置表是实现定义的。

一个 LPI 配置表的表项包含一个 LPI 中断向量的配置信息：

• GICR_PROPBASER 指定一个 4KB 大小对齐的物理内存基地址
• 对于 LPI 向量 N, 配置信息定义在 baseaddr + (N - 8192) 地址处（LPI 中断从 8192 开始？每一个 LPI 中断使用 1 字节保存配置信息），配置信息如下表：
  配置信息字节中的位域定义如下：
• Priority: 优先级定义
• Enable: 当前的 LPI 中断是否使能

Redistributor 可以将LPI 配置表缓存到本地。

2.1.2 LPI pending 状态表

由软件写 GICR_PENDBASER 指定 LPI pending 状态表基地址。每一个 Redistributor 都维护自己的 LPI pending 状态表，用单独的位表示某一个 LPI 的状态信息：

• 0 ：表示某一 LPI 没有 Pending;
• 1 ：表示某一 LPI 处于 Pending 状态。

LPI 挂起信息表使用 1KB 对齐的物理内存，如果挂起信息表全 0，那么表示没有 LPI 处理 Pending 状态。

对于某一指定的 LPI:

• Pending 状态表对应的 Pending 字节位置为 baseaddr + (N /8)
• Pending 状态表对应的 Pending 位为 (N MOD 8)

2.2 ITS(Interrupt Translation Service)

ITS 使用某一 DeviceID 的设备写入内存的 EventID，翻译为：

• 对应的 INTID
• 目标处理器的 Redistributor，用于处理转换而来的 INTID

ITS 将 EventID 翻译为 LPI，ITS 翻译流程如下：

1. DeviceID 选择 Device table 中的某一表项，表项保存该设备使用的中断翻译表 - Interrupt translation table(ITT) 的地址。
2. EventID 选择中断翻译表的一个表项，用于确定输出的 LPI 中断向量号，中断集合 ID 号（ICID）
3. ICID 从集合表 - Collection table 中，选择一个表项，用于确定处理 LPI 的目标 CPU 的 Redistributor.

总结：
所以，ITS 翻译过程会用到下列的表：

• Device Table: 每一个 DeviceID 的设备都有一个表项，用于保存该设备使用的中断翻译表（ITT）。
• 中断翻译表：ITT 保存 EventID 与 LPI ID 的对应关系。
• 集合表：Collection table 保存中断集合 ID 号（ICID）与目标 Redistributor 的对应关系。

2.2.1 ITS 表

由于使用软件为 ITS 私有表提供内存，GIC提供了一组寄存器 - GITS_xxxR，这些寄存器用于实现下列功能：

• ITS 需要的私有表的数量
• 每一个表的表项大小
• 每一个表的类型

GITS_BASER<n> 寄存器用于指定 ITS 表的基地址与大小，并且必须在 ITS 使能前被提供。

ITS 表拥有一级表结构或二级表结构，表结构通过 GITS_BASER<n>.Indirect 指定.

• 0 : 一级表结构，当前表包含连续的 block 结构，block 格式是实现定义的。
• 1 : 二级表结构，二级表结构格式是实现定义的，一级表的表项是 64 bit大小，并且拥有如下格式：
  • Bit[63] - Valid 位，置1表示有效，指向二级表基地址。
  • Bit[62 : 53] - 保留
  • Bit[51 : N] - 二级表结构基地址，N 表示 page size 大小
  • Bit[N-1 : 0] - 保留

下图显示了 ITS 生成 LPI 的流程（只关注物理 LPI）：

2.2.2 中断集合- Interrupt Collections

ITS 认为所有生成的物理 LPI 是一个 Collections 的成员，Collection Table 基地址通过 ITS 寄存器指定，GITS_BASER<n>.Type == 0b100.

集合表的表项如何？手册没写

2.2.3 设备表 - Device Table

设备表保存 DeviecID 与 ITT 的映射关系，设备表的每一个表项保存一个 ITT 的基地址。

DeviceID 是分配给每个设备的唯一标识符，这个设备可以创建一系列的 EventID。比如 ARM 期望来自 PCIe Root Complex 的16位 Request ID 作为 ITS 使用的 DeviceID。DeviceID 提供设备表的索引值。

设备表的表项位域分配实例如下：

6.2.4 中断翻译表 - interrupt translation table

每个设备都有自己的中断翻译表(ITT)，翻译表可以对应多个事件的 LPI 中断翻译。

ITT 表的大小由设备表的表项中的 ITT Range 位域决定，占用内存为 2^(ITT Range + 1) * GITS_TYPER.ITT_entry_size。

ITT 拥有与设备表相同的共享属性与 cache 属性。

ITT 的作用如下：

• 描述 EventID 与 LPI ID 的对应关系；
• 描述 EventID 与 ICID 的对应关系，ICID 用于在 Collection Table 中查找目标 Redistributor.

EventID 用作 ITT 的索引值。

ITT 表项的示例位域分配如下：

2.2.5 集合表 - Collection Table

集合表(CT) 保存中断集合号 - ICID 与目标 Redistributor 地址的映射关系。

每一个 ITS 都有一个 CT。ICID 提供 CT 使用的索引值。
CT 的表项位域分配实例如下：

其中： RDbase 位域格式由 GITS_TYPER.PTA 决定。

2.2.6 vPE Table

虚拟 LPI 中断使用的表，不看。

2.2.7 ITS 私有表的控制与配置

ITS 提供内存映射的寄存器，用于配置 ITS：

寄存器	描述
GITS_IIDR / GITS_PIDR2	提供版本信息
GITS_TYPER	提供 ITS 支持的功能信息
GITS_CTLR	ITS 配置
GITS_TRANSLATER	用于接收 EventID
GITS_BASER	用于提供 ITS 私有表的地址、大小、访问属性
GITS_CBASER / GITS_CREADR / GITS_CWRITER	提供 ITS 命令队列的地址信息

2.2.8 ITS 命令接口

下图显示了 ITS 如何提供命令队列使用的基址和大小。为什么会有命令队列这个东西?

• GITS_CBASER: 提供命令队列基地址与大小以及访问属性。
• GITS_CREADR: 指向 ITS 将要处理的下一个命令。
• GITS_CWRITER : 指向软件可写入的下一个命令地址。

ITS 命令队列的队列项是 32 字节的，也就是 4KB 页大小的命令队列支持 128 个命令。

ITS 命令队列基地址是 64KB 对齐的，队列大小 4KB 对齐。

当第一个命令完成后，ITS开始处理下一个命令。读指针GITS_CREADR 的移动由 ITS 硬件维护 。如果GITS_CREADR 到达 GITS_CBASER 中指定的内存顶部，则跳回 GITS_CBASER 中指定的基址。GITS_CWRITER 由软件维护。

INT 命令可以产生中断？不是由设备写 EventID 产生中断？测试使用

答：
ITS 命令被 ITS 硬件用于维护 ITS 私有表，因为初始化时所有私有表结构都是0，只能通过 ITS 命令队列中的命令去维护 ITS 私有表，比如创建一个 DeviceID 与 ITT 的映射关系，已经 EventID 与 LPI 中断号的映射关系。

2.2.9 ITS 命令输出与 ITS 中断翻译

ITS 的命令由 ITS 硬件自动执行，在 SYNC 或 VSYNC 命令完成后发起的中断翻译请求将使用与命令执行后的状态一致的ITS状态进行翻译。

2.2.10 中断映射规则的限制

• 不可将多个 DeviceID - EventID 组合映射为同一个 LPI 中断
• 任一 LPI 中断只能由一个 Redistributor 处理

2.3 ITS 命令

ITS 命令用于维护 ITS 私有表，创建 ITS 中断翻译过程中使用的映射关系。
必须在 ITS 中断使能之前，完成各私有表的映射关系初始化 （为各 DeviceID 分配 EventID 与 LPI ID？）。