嵌入式Linux学习(3)——中断(Interrupt)子系统概念

目录

一. 中断概念与分类

1.1 中断分类

1.2 中断事件的处理流程

1.3 中断号(IRQ number)

1.4 中断源(Interrupt Source)

1.5 中断触发方式

二. 中断子系统架构

2.1 GIC

2.2 中断子系统架构

2.3 GIC与IP

? ??2.3.1 典型GIC IP

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一. 中断概念与分类

中断是指 CPU 在执行程序的过程中，出现了某些突发事件急待处理，CPU 必须暂停当前程序的执 行，转去处理突发事件，处理完毕后又返回原程序被中断的位置继续执行。

1.1 中断分类

有的地方也把内部中断和外部中断统称为硬中断。

中断处理：中断类型 | 东芝半导体&存储产品中国官网

1. 软中断是执行中断指令产生的，而硬中断是由外设引发的。硬中断的中断号是由中断控制器提供的，软中断的中断号由指令直接指出，无需使用中断控制器。

2.?内部中断的中断源来自 CPU?内部（软件中断指令、溢出、除法错误等，例如，操作系统从用户态切换到内核态需借助 CPU?内部的软件中断），外部中断 的中断源来自 CPU?外部，由外设提出请求。

3.?可屏蔽中断可以通过设置 中断控制器寄存器等方法被屏蔽，屏蔽后，该中断不再得到响应，而不可屏蔽中断不能被屏蔽。

4.?根据中断入口跳转方法的不同，中断可分为向量中断和非向量中断。采用向量中断的 CPU?通常为不同的中断分配不同的中断号，当检测到某中断号的中断到来后，就自动跳转到与该中断号对应的地址执行。不同中断号的中断有不同的入口地址。非向量中断的多个中断共享一个入口地址，进入该入口地址后，再通过软件判断中断标志来识别具体是哪个中断。也就是说，向量中断由硬件提供中断服务程序入口地址，非向量中断由软件提供中断服务程序入口地址。

1.2 中断事件的处理流程

收到中断事件后的处理流程：

1. 抢占当前任务：内核必须暂停正在执行的进程；

2. 执行中断处理函数(ISR)：找到对应的中断处理函数，将 CPU 交给它(执行)，ISR 位于 Interrupt Vector table，这个 table 位于内存中的固定地址；

3. 中断处理完成之后：第 1 步被抢占的进程恢复执行，在中断处理完成之后，处理器恢复执行被中断的进程（resume the interrupted process）。

1.3 中断号(IRQ number)

1. IRQ number：软中断号，在Linux系统中是唯一的，也是编程的时候需要用到的中断号。

2. HW interrupt ID：也称之为硬件中断号，是中断控制器用来标识外设中断的。

3. IRQ domain：负责实现硬件中断号与软件中断号的映射，通常是由芯片原厂的工程师来映射的，然后他们再将映射后的软中断号告诉我们编程人员。

1.4 中断源(Interrupt Source)

中断源类型	中断号ID范围	用途
SGI (Software Generated Interrupt) 软件触发中断	0~15	用于多核之间的相互通信，SGI通常在Linux内核中被用作 IPI 中断(inter-processor interrupts)，并会送达到系统指定的CPU上。
PPI (Private Peripheral Interrupt) 私有外设中断	16～31	每个CPU私有的中断，通常会送达到指定的CPU上，应用场景有CPU本地时钟。
SPI (Shared Peripheral Interrupt) 公用外设中断/共享外设中断	32~1019	此类中段是由外设触发的中断信号，比如按键、手机触摸屏触发的、串口等中断。
LIP (Locality-specific Peripheral Interrupt)基于消息的边沿中断	8192 - MAX	GICv3/v4中支持，它们在很多方面与其他类型的中断不同。LPI始终是基于消息的中断，它们的配置保存在表中而不是寄存器。像按键/触摸等这些传统的中断都是需要管脚的，而LPI是基于消息的，直接操作寄存器，就不需要占用管脚了。比如PCIe的MSI/MSI-x中断。

1.5 中断触发方式

中断的触发方式可分为边沿触发（上升沿、下降沿）和电平触发（高电平、低电平），两种触发方式的行为有所不同。

触发方式	特点
边沿触发	在检测到上升沿或下降沿后触发中断，此后中断会一直处于触发状态，直到软件应答该中断为止
电平触发	在检测到特定电平后触发中断，电平变化或软件应答都能deassert该中断

二. 中断子系统架构

2.1 GIC

GIC（Generic Interrupt Controller）是ARM公司提供的一个通用的中断控制器，其Architecture Specification目前有V1～V4四个版本，V1很古老了，基本被废弃，V2最多支持8个ARM core，V3/V4支持更多的ARM core。中断控制器就是用来控制中断的，可以通过中断控制器来控制中断的开关和优先级等。

GIC 主要由两部分组成，分别是仲裁单元(Distributor)和CPU接口(Interface)模块。

(1) Distributor 检测各个中断源的状态，使能/屏蔽中断，设置中断优先级，分发各个中断源产生的中断事件分发到指定的一个或者多个 CPU interface 上等。

(2) CPU interface 连接 GIC 和 CPU 处理器。多个CPU interface 就可以连接到多核 CPU 了。

中断控制器是可以级联的，如下图所示。

由后面的 “GIC 400” 小节可知，即使是多核 CPU 也只提供了“4种窗口”，即 IRQ(普通中断模式)、FIQ (快速中断模式)、Virtual IRQ、Virtual FIQ。

2.2 中断子系统架构

如下为中断子系统的架构图，也大概说明了CPU/GIC与Linux驱动开发者的关系。

2.3 GIC与IP

新的版本都是兼容旧版本的。?

SoC（System on Chip） 是一种集成了多个功能组件和外设的芯片，它通常包含一个或多个 CPU 核心，以及其他系统组件，如内存控制器、图形处理器、输入输出接口、中断控制器、外设控制器等。这些组件都集成在同一芯片上，共享同一个物理封装和电源供应。在 ARM 体系结构中，GIC通常与其他外设集成在 SoC 中，用于处理和分发各种中断。

IP（Intellectual Property）也称为 IP 核（Intellectual Property Core），是指芯片中具有独立功能的电路模块的成熟设计。该电路模块设计可以应用在包含该电路模块的其他芯片设计项目中，从而减少设计工作量，缩短设计周期，提高芯片设计的成功率。该电路模块的成熟设计凝聚着设计者的智慧，体现了设计者的知识产权，因此，芯片行业就用 IP 核(Intellectual Property Core)来表示这种电路模块的成熟设计。IP 核也可以理解为芯片设计的中间构件。一般说来，一个复杂的芯片是由芯片设计者自主设计的电路部分和多个外购的 IP 核连接构成的。绝大多数 SOC 厂商都依赖 IP 来设计和生产一款 SOC 芯片，做 SOC 的过程其本质就是寻找，验证及整合 IP 的过程。

在这里可以通俗的理解为 GICv1~v4 都是规范，IP 是对应 GIC 规范实现的一些GIC模块，然后这些 IP 会卖给半导体厂家用来做 SoC。

2.3.1 典型GIC IP

GIC version	典型IP
GIC-v2 架构	GIC 400
GIC-v3 架构	GIC 500
GIC-4 架构	GIC 600

PLC390

整体框图如下

1. 单核PLC390

2. 多核PLC

GIC 400

多核 GIC 400?

??

GIC 500

GIC v3 支持了更多核这里的 CPU 直接称为 PE 了，SPI 和 PPI 接在了不同的 Distributor 上。

PE(Processing Element)：指处理器系统中的一个实体，代表一个可执行指令的核心或线程。在多核处理器系统中，每个核心被视为一个独立的处理元素。每个处理元素都具有自己的寄存器集、执行单元和控制逻辑，能够独立执行指令和处理数据。?

REF

Documentation – Arm Developer

《PrimeCell Generic Interrupt Controller(PL390)》

《CoreLink GIC-400 Generic Interrupt Controller》

《ARM CoreLink GIC-500 Generic Interrupt Controller》