【原創】Linux中斷子系統（一）-中斷控制器及驅動分析_租車


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背景



  • Read the fucking source code! --By 魯迅

  • A picture is worth a thousand words. --By 高爾基


說明：



  1. Kernel版本：4.14

  2. ARM64處理器，Contex-A53，雙核

  3. 使用工具：Source Insight 3.5， Visio


1. 概述


從這篇文章開始，來聊一聊中斷子系統。
中斷是處理器用於異步處理外圍設備請求的一種機制，可以說中斷處理是操作系統管理外圍設備的基石，此外系統調度、核間交互等都離不開中斷，它的重要性不言而喻。


來一張概要的分層圖：




  • 硬件層：最下層為硬件連接層，對應的是具體的外設與SoC的物理連接，中斷信號是從外設到中斷控制器，由中斷控制器統一管理，再路由到處理器上；

  • 硬件相關層：這個層包括兩部分代碼，一部分是架構相關的，比如ARM64處理器處理中斷相關，另一部分是中斷控制器的驅動代碼；

  • 通用層：這部分也可以認為是框架層，是硬件無關層，這部分代碼在所有硬件平台上是通用的；

  • 用戶層：這部分也就是中斷的使用者了，主要是各類設備驅動，通過中斷相關接口來進行申請和註冊，最終在外設觸發中斷時，進行相應的回調處理；


中斷子系統系列文章，會包括硬件相關、中斷框架層、上半部與下半部、Softirq、Workqueue等機制的介紹，本文會先介紹硬件相關的原理及驅動，前戲結束，直奔主題。


2. GIC硬件原理



  • ARM公司提供了一個通用的中斷控制器GIC（Generic Interrupt Controller），GIC的版本包括V1 ~ V4，由於本人使用的SoC中的中斷控制器是V2版本，本文將圍繞GIC-V2來展開介紹；


來一張功能版的框圖：




  • GIC-V2從功能上說，除了常用的中斷使能、中斷屏蔽、優先級管理等功能外，還支持安全擴展、虛擬化等；

  • GIC-V2從組成上說，主要分為Distributor和CPU Interface兩個模塊，Distributor主要負責中斷源的管理，包括優先級的處理，屏蔽、搶佔等，並將最高優先級的中斷分發給CPU Interface，CPU Interface主要用於連接處理器，與處理器進行交互；

  • Virtual Distributor和Virtual CPU Interface都與虛擬化相關，本文不深入分析；


再來一張細節圖看看Distributor和CPU Interface的功能：




  • GIC-V2支持三種類型的中斷：



    1. SGI(software-generated interrupts)：軟件產生的中斷，主要用於核間交互，內核中的IPI：inter-processor interrupts就是基於SGI，中斷號ID0 - ID15用於SGI；

    2. PPI(Private Peripheral Interrupt)：私有外設中斷，每個CPU都有自己的私有中斷，典型的應用有local timer，中斷號ID16 - ID31用於PPI；

    3. SPI(Shared Peripheral Interrupt)：共享外設中斷，中斷產生后，可以分發到某一個CPU上，中斷號ID32 - ID1019用於SPI，ID1020 - ID1023保留用於特殊用途；


  • Distributor功能：



    1. 全局開關控制Distributor分發到CPU Interface；

    2. 打開或關閉每个中斷；

    3. 設置每个中斷的優先級；

    4. 設置每个中斷將路由的CPU列表；

    5. 設置每個外設中斷的觸發方式：電平觸發、邊緣觸發；

    6. 設置每个中斷的Group：Group0或Group1，其中Group0用於安全中斷，支持FIQ和IRQ，Group1用於非安全中斷，只支持IRQ；

    7. 將SGI中斷分發到目標CPU上；

    8. 每个中斷的狀態可見；

    9. 提供軟件機制來設置和清除外設中斷的pending狀態；


  • CPU Interface功能：



    1. 使能中斷請求信號到CPU上；

    2. 中斷的確認；

    3. 標識中斷處理的完成；

    4. 為處理器設置中斷優先級掩碼；

    5. 設置處理器的中斷搶佔策略；

    6. 確定處理器的最高優先級pending中斷；



中斷處理的狀態機如下圖：




  • Inactive：無中斷狀態；

  • Pending：硬件或軟件觸發了中斷，但尚未傳遞到目標CPU，在電平觸發模式下，產生中斷的同時保持pending狀態；

  • Active：發生了中斷並將其傳遞給目標CPU，並且目標CPU可以處理該中斷；

  • Active and pending：發生了中斷並將其傳遞給目標CPU，同時發生了相同的中斷並且該中斷正在等待處理；


GIC檢測中斷流程如下：



  1. GIC捕獲中斷信號，中斷信號assert，標記為pending狀態；

  2. Distributor確定好目標CPU后，將中斷信號發送到目標CPU上，同時，對於每個CPU，Distributor會從pending信號中選擇最高優先級中斷髮送至CPU Interface；

  3. CPU Interface來決定是否將中斷信號發送至目標CPU；

  4. CPU完成中斷處理后，發送一個完成信號EOI(End of Interrupt)給GIC；


3. GIC驅動分析


3.1 設備信息添加


ARM平台的設備信息，都是通過Device Tree設備樹來添加，設備樹信息放置在arch/arm64/boot/dts/下


下圖就是一个中斷控制器的設備樹信息：


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  • compatible字段：用於與具體的驅動來進行匹配，比如圖片中arm, gic-400，可以根據這個名字去匹配對應的驅動程序；

  • interrupt-cells字段：用於指定編碼一个中斷源所需要的單元個數，這個值為3。比如在外設在設備樹中添加中斷信號時，通常能看到類似interrupts = <0 23 4>;的信息，第一個單元0，表示的是中斷類型（1：PPI，0：SPI），第二個單元23表示的是中斷號，第三個單元4表示的是中斷觸發的類型；

  • reg字段：描述中斷控制器的地址信息以及地址範圍，比如圖片中分別制定了GIC Distributor（GICD）和GIC CPU Interface（GICC）的地址信息；

  • interrupt-controller字段：表示該設備是一个中斷控制器，外設可以連接在該中斷控制器上；

  • 關於設備數的各個字段含義，詳細可以參考Documentation/devicetree/bindings下的對應信息；


設備樹的信息，是怎麼添加到系統中的呢？Device Tree最終會編譯成dtb文件，並通過Uboot傳遞給內核，在內核啟動後會將dtb文件解析成device_node結構。關於設備樹的相關知識，本文先不展開，後續再找機會補充。來一張圖，先簡要介紹下關鍵路徑：




  • 設備樹的節點信息，最終會變成device_node結構，在內存中維持一個樹狀結構；

  • 設備與驅動，會根據compatible字段進行匹配；


3.2 驅動流程分析


GIC驅動的執行流程如下圖所示：




  • 首先需要了解一下鏈接腳本vmlinux.lds，腳本中定義了一個__irqchip_of_table段，該段用於存放中斷控制器信息，用於最終來匹配設備；

  • 在GIC驅動程序中，使用IRQCHIP_DECLARE宏來聲明結構信息，包括compatible字段和回調函數，該宏會將這個結構放置到__irqchip_of_table字段中；

  • 在內核啟動初始化中斷的函數中，of_irq_init函數會去查找設備節點信息，該函數的傳入參數就是__irqchip_of_table段，由於IRQCHIP_DECLARE已經將信息填充好了，of_irq_init函數會根據arm,gic-400去查找對應的設備節點，並獲取設備的信息。中斷控制器也存在級聯的情況，of_irq_init函數中也處理了這種情況；

  • or_irq_init函數中，最終會回調IRQCHIP_DECLARE聲明的回調函數，也就是gic_of_init，而這個函數就是GIC驅動的初始化入口函數了；

  • GIC的工作，本質上是由中斷信號來驅動，因此驅動本身的工作就是完成各類信息的初始化，註冊好相應的回調函數，以便能在信號到來之時去執行；

  • set_smp_process_call設置__smp_cross_call函數指向gic_raise_softirq，本質上就是通過軟件來觸發GIC的SGI中斷，用於核間交互；

  • cpuhp_setup_state_nocalls函數，設置好CPU進行熱插拔時GIC的回調函數，以便在CPU熱插拔時做相應處理；

  • set_handle_irq函數的設置很關鍵，它將全局函數指針handle_arch_irq指向了gic_handle_irq，而處理器在進入中斷異常時，會跳轉到handle_arch_irq執行，所以，可以認為它就是中斷處理的入口函數了；

  • 驅動中完成了各類函數的註冊，此外還完成了irq_chip, irq_domain等結構體的初始化，這些結構在下文會進一步分析；

  • 最後，完成GIC硬件模塊的初始化設置，以及電源管理相關的註冊等工作；


3.3 數據結構分析


先來張圖：




  • GIC驅動中，使用struct gic_chip_data結構體來描述GIC控制器的信息，整個驅動都是圍繞着該結構體的初始化，驅動中將函數指針都初始化好，實際的工作是由中斷信號觸發，也就是在中斷來臨的時候去進行回調；

  • struct irq_chip結構，描述的是中斷控制器的底層操作函數集，這些函數集最終完成對控制器硬件的操作；

  • struct irq_domain結構，用於硬件中斷號和Linux IRQ中斷號（virq，虛擬中斷號）之間的映射；


還是上一下具體的數據結構代碼吧，關鍵註釋如下：


struct irq_chip {
 	struct device	*parent_device;     //指向父設備
 	const char	*name;      //  /proc/interrupts中显示的名字
 	unsigned int	(*irq_startup)(struct irq_data *data);  //啟動中斷，如果設置成NULL，則默認為enable
 	void		(*irq_shutdown)(struct irq_data *data);     //關閉中斷，如果設置成NULL，則默認為disable
 	void		(*irq_enable)(struct irq_data *data);   //中斷使能，如果設置成NULL，則默認為chip->unmask
 	void		(*irq_disable)(struct irq_data *data);  //中斷禁止
 
 	void		(*irq_ack)(struct irq_data *data);  //開始新的中斷
 	void		(*irq_mask)(struct irq_data *data); //中斷源屏蔽
 	void		(*irq_mask_ack)(struct irq_data *data); //應答並屏蔽中斷
 	void		(*irq_unmask)(struct irq_data *data);   //解除中斷屏蔽
 	void		(*irq_eoi)(struct irq_data *data);  //中斷處理結束后調用
 
 	int		(*irq_set_affinity)(struct irq_data *data, const struct cpumask *dest, bool force); //在SMP中設置CPU親和力
 	int		(*irq_retrigger)(struct irq_data *data);    //重新發送中斷到CPU
 	int		(*irq_set_type)(struct irq_data *data, unsigned int flow_type); //設置中斷觸發類型
 	int		(*irq_set_wake)(struct irq_data *data, unsigned int on);    //使能/禁止電源管理中的喚醒功能
 
 	void		(*irq_bus_lock)(struct irq_data *data); //慢速芯片總線上的鎖
 	void		(*irq_bus_sync_unlock)(struct irq_data *data);  //同步釋放慢速總線芯片的鎖
 
 	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;  //用於添加到全局鏈表irq_domain_list中
 	const char *name;   //IRQ domain的名字
 	const struct irq_domain_ops *ops;   //IRQ domain映射操作函數集
 	void *host_data;    //在GIC驅動中，指向了irq_gic_data
 	unsigned int flags; 
 	unsigned int mapcount;  //映射中斷的個數
 
 	/* 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;  //支持級聯的話，指向父設備

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