Linux中断管理：(一)中断号的映射

文章说明：

• Linux内核版本：5.0

• 架构：ARM64

• 参考资料及图片来源：《奔跑吧Linux内核》

• Linux 5.0内核源码注释仓库地址：

  zhangzihengya/LinuxSourceCode_v5.0_study (github.com)

1. 中断控制器

Linux 内核支持众多的处理器架构，因此从系统角度来看，Linux内核的中断管理可以分成如下4层：

• 硬件层，如CPU和中断控制器的连接
• 处理器架构管理层，如CPU中断异常处理
• 中断控制器管理层，如IRQ号的映射
• Linux 内核通用中断处理器层，如中断注册和中断处理

不同的架构对中断控制器有着不同的设计理念：

• ARM架构采用通用中断控制器 (Generic Interrupt Controller, GIC)
• x86架构采用高级可编程中断控制器 (Advanced Programmable Interrupt Controller, APIC)

本文以 ARM Vexpress V2P-CAIS-CA7 平台为例来介绍中断管理的实现，它支持 Cortex-A15 和 Cortex-A7 两个CPU簇，中断控制器采用GIC-400，支持GIC Version 2 (GIC-V2)，如下图所示：

对于一个中断来说，支持多个中断状态：

• 不活跃(inactive)状态：中断处于无效状态
• 等待(pending)状态：中断处于有效状态，但是等待CPU响应该中断
• 活跃(active)状态：GPU已经响应中断
• 活跃并等待(active and pending)状态：CPU正在响应中断，但是该中断源又发送中断过来

对于GIC来说，为每一个硬件中断源分配一个中断号，这就是硬件中断号。GIC会为支持的中断类型分配中断号范围，如下表所示：

• SGI通常用于多核之间的通信。GIC-V2最多支持16个SGI，硬件中断号范围为0~15。SGI通常在Linux内核中被用作处理器之间的中断 (Inter-Processor Interrupt, IPI)，并会送达到系统指定的CPU上。
• PPI是每个处理器内核私有的中断。GIC-V2 最多支持16个PPI中断，硬件中断号范围为16~31。PPI通常会送达到指定的CPU 上，应用场景有CPU本地定时器(local timer)。
• SPI是公用的外设中断。GIC-V2最多可以支持988个外设中断，硬件中断号范围为32~1019。
• SGI和PPI是每个CPU私有的中断，而SPI是所有CPU内核共享的。

外设中断可以支持两种中断触发方式：

• 边沿触发(edge-triggered)：当中断源产生一个上升沿或者下降沿时，触发一个中断
• 电平触发(level-sensitive)：当中断信号线产生一个高电平或者低电平时，触发一个 中断

GIC主要由两部分组成，分别是仲裁单元(distributor)和CPU接口模块。仲裁单元为每一个中断源维护一个状态机，支持的状态有 inactive pending、active和active and pending。GIC检测中断的流程如下：

1. 当GIC检测到一个中断发生时，会将该中断标记为pending状态

2. 对于处于pending状态的中断，仲裁单元会确定目标CPU，将中断请求发送到这个CPU

3. 对于每个CPU，仲裁单元会从众多处于pending状态的中断中选择一个优先级最高的中断，发送到目标CPU的CPU接口模块上

4. CPU接口模块会决定这个中断是否可以发送给CPU。如果该中断的优先级满足要求，GIC会发送一个中断请求信号给该CPU

5. 当一个CPU进入中断异常后，会读取GICC_IAR来响应该中断（一般由Linux内核的中断处理程序来读寄存器）。寄存器会返回硬件中断号（hardware interrupt ID），对于SGI来说，返回源CPU的ID（source processor ID）。当GIC感知到软件读取了该寄存器后，又分为如下情况：

   • 如果该中断处于pending状态，那么状态将变成active
   • 如果该中断又重新产生，那么pending将状态变成active and pending状态
   • 如果该中断处于active状态，将变成active and pending状态

6. 当处理器完成中断服务，必须发送一个完成信号结束中断（End Of Interrupt, EOI）给GIC

2. 硬件中断号和 Linux 中断号的映射

在Linux中，注册中断接口函数request_irq()、request_threaded_irq() 使用Linux内核软件中断号（俗称软件中断号或IRQ号），而不是硬件中断号。接下来，以QEMU虚拟机的串口 0设备（它在主板上的序号为1，硬件中断号为33）为例，介绍硬件中断号是如何和Linux内核的IRQ号映射的。

• 首先介绍下前置知识

  • ARM64平台的设备描述基本上采用设备树（Device Tree）模式来描述硬件设备。QEMU虚拟机的设备树的描述脚本并没有实现在内核代码中，而实现在QEMU代码里。因此，可以通过DTC命令反编译出设备树脚本（Device Tree Script, DTS），反编译 DTS时，与串口中断相关的描述如下：

    pl011@9000000 {clock-names = "uartclk\Oapb_pclk";clocks = < 0x8000 0x8000 >;
    // interrupts 域描述相关的属性：
    // 中断类型，共享外设中断（GIC_SPI）在设备树中用0来表示，私有外设中断（GIC_PPI）在设备树中用1来表示，这里是0x00
    // 中断 ID，这里是0x01
    // 触发类型，（即IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH，高电平触发）
    interrupts = < 0x00 0x01 0x04 >;reg = < 0x00 0x9000000 0x00 0x1000 >;
    // "arm,pl011\0arm,primecell" 外设的兼容字符串，用于和驱动程序进行匹配工作
    compatible = "arm,pl011\0arm,primecell";
    };
    

  • 一个中断控制器用一个irq_domain数据结构来抽象描述，irq_domain数据结构的定义如下：

    // 一个中断控制器用一个 irq_domain 数据结构来抽象描述
    struct irq_domain {// 用于将 irq_domain 连接到全局链表 irq_domain_list 中struct list_head link;// irq_domain 的名称const char *name;// irq_domain 映射操作使用的方法集合const struct irq_domain_ops *ops;...// 该 irq_domain 支持中断数量的最大值irq_hw_number_t hwirq_max;unsigned int revmap_direct_max_irq;// 线性映射的大小unsigned int revmap_size;// 基数树映射的根节点struct radix_tree_root revmap_tree;struct mutex revmap_tree_mutex;// 线性映射用到的查找表unsigned int linear_revmap[];
    };
    

• 系统初始化时会查找DTS中定义的中断控制器，计算GIC最多支持的中断源的个数，GIC-V2规定最多支持1020个中断源，在SoC设计阶段就确定ARM SoC可以支持多少个中断源了，然后，调用irq_domain_create_linear()->__irq_domain_add()函数注册一个irq_domain数据结构：

  struct irq_domain *__irq_domain_add(struct fwnode_handle *fwnode, int size,irq_hw_number_t hwirq_max, int direct_max,const struct irq_domain_ops *ops,void *host_data)
  {...// 注册一个 irq_domain 数据结构domain = kzalloc_node(sizeof(*domain) + (sizeof(unsigned int) * size),GFP_KERNEL, of_node_to_nid(of_node));// 初始化 irq_domain 数据结构...// 把 irq_domain 数据结构加入全局的链表 irq_domain_list 中list_add(&domain->link, &irq_domain_list);...
  }
  

• 回到系统枚举阶段的中断号映射过程，在of_amba_device_create()函数中，irq_of_parse_and_map()函数负责把硬件中断号映射到Linux内核的IRQ号

  // 把硬件中断号映射到 Linux 内核的 IRQ 号
  unsigned int irq_of_parse_and_map(struct device_node *dev, int index)
  {struct of_phandle_args oirq;if (of_irq_parse_one(dev, index, &oirq))return 0;return irq_create_of_mapping(&oirq);
  }
  

• irq_of_parse_and_map()->of_irq_parse_one()：主要用于解析DTS文件中设备定义的属性，如reg、interrupts等, 最后把DTS中的interrupts的值存放在oirq->args[]数组中

• irq_of_parse_and_map()->irq_create_of_mapping->irq_create_fwspec_mapping()：

  unsigned int irq_create_fwspec_mapping(struct irq_fwspec *fwspec)
  {...// 查找外设所属的中断控制器的 irq_domainif (fwspec->fwnode) {domain = irq_find_matching_fwspec(fwspec, DOMAIN_BUS_WIRED);if (!domain)domain = irq_find_matching_fwspec(fwspec, DOMAIN_BUS_ANY);} else {domain = irq_default_domain;}if (!domain) {pr_warn("no irq domain found for %s !\n",of_node_full_name(to_of_node(fwspec->fwnode)));return 0;}// 进行硬件中断号的转换// hwirq 存储着这个硬件中断号，type存储该外设的中断类型if (irq_domain_translate(domain, fwspec, &hwirq, &type))return 0;...// 如果这个硬件中断号已经映射过了，那么 irq_find_mapping() 函数可以找到映射后的中断号，在此情境下，该硬件中断号还没有映射virq = irq_find_mapping(domain, hwirq);if (virq) {...}if (irq_domain_is_hierarchy(domain)) {// 映射的核心函数virq = irq_domain_alloc_irqs(domain, 1, NUMA_NO_NODE, fwspec);if (virq <= 0)return 0;} else {/* Create mapping */virq = irq_create_mapping(domain, hwirq);if (!virq)return virq;}...return virq;
  }
  

• irq_of_parse_and_map()->irq_create_of_mapping->irq_create_fwspec_mapping()->irq_domain_alloc_irqs()->__irq_domain_alloc_irqs->irq_domain_alloc_descs()->__irq_alloc_descs()：

  int __ref
  __irq_alloc_descs(int irq, unsigned int from, unsigned int cnt, int node,struct module *owner, const struct irq_affinity_desc *affinity)
  {...// 在 allocated_irqs 位图中查找第一个包含连续 cnt 个 0 的位图区域start = bitmap_find_next_zero_area(allocated_irqs, IRQ_BITMAP_BITS,from, cnt, 0);...// 分配 irq_desc 数据结构ret = alloc_descs(start, cnt, node, affinity, owner);
  ...
  }
  

  irq_desc数据结构：

  struct irq_desc {...struct irq_data		irq_data;...
  } ____cacheline_internodealigned_in_smp;
  

  irq_data数据结构：

  struct irq_data {...// 软件中断号unsigned int		irq;// 硬件中断号unsigned long		hwirq;...
  };
  

• irq_of_parse_and_map()->irq_create_of_mapping->irq_create_fwspec_mapping()->irq_domain_alloc_irqs()->__irq_domain_alloc_irqs()->irq_domain_alloc_descs()函数返回 allocated_irqs 位图中第一个空闲位，这是软件中断号

• irq_of_parse_and_map()->irq_create_of_mapping->irq_create_fwspec_mapping()->irq_domain_alloc_irqs()->__irq_domain_alloc_irqs()->irq_domain_alloc_irqs_hierarchy()->gic_irq_domain_alloc()：

  static int gic_irq_domain_alloc(struct irq_domain *domain, unsigned int virq,unsigned int nr_irqs, void *arg)
  {...// 解析出硬件中断号并存放在 hwirq 中ret = gic_irq_domain_translate(domain, fwspec, &hwirq, &type);...for (i = 0; i < nr_irqs; i++) {// 映射工作ret = gic_irq_domain_map(domain, virq + i, hwirq + i);if (ret)return ret;}return 0;
  }
  

• irq_of_parse_and_map()->irq_create_of_mapping->irq_create_fwspec_mapping()->irq_domain_alloc_irqs()->__irq_domain_alloc_irqs()->irq_domain_alloc_irqs_hierarchy()->gic_irq_domain_alloc()->gic_irq_domain_map()->irq_domain_set_info()->irq_domain_set_hwirq_and_chip()：通过IRQ号获取irq_data数据结构，并把硬件中断号hwirq设置到irq_data数据结构中的hwirq成员中，就完成了硬件中断号到软件中断号的映射。

• irq_of_parse_and_map()->irq_create_of_mapping->irq_create_fwspec_mapping()->irq_domain_alloc_irqs()->__irq_domain_alloc_irqs()->irq_domain_alloc_irqs_hierarchy()->gic_irq_domain_alloc()->gic_irq_domain_map()->irq_domain_set_info()->__irq_set_handler()：设置中断描述符 desc->handle_irq 的回调函数

• 综上所述，硬件中断号和软件中断号的映射过程如下图所示：