linux中断子系统(基于imx6ul arm32分析)
0、说明
本文主要针对linux内核中断整个框架进行梳理，针对的是armv7架构，硬件平台是imx6ul，基于arm GIC控制器来分析。
GIC是arm公司设计使用的中断控制器，全称Global Interrupt Controller，对于arm32来说，中断发生后，被GIC捕获，之后上报CPU，CPU调用GIC中断处理函数，完成事件处理。此文主要弄清楚，内核启动后从中断向量的构建，到中断初始化完成以及中断处理的整个流程。
开始中断分析前，我们先列出以下中断基础认识。
中断的基础认识
- 中断发生后，会终止当前应用的进行，因此需要保存应用现场，保存现场通过栈来实现
- linux中断不支持嵌套
- 中断处理函数越快越好，不然应用等太久，可能会卡顿
- 中断可分为上半部/下半部，上半部不可打断处理必要事情，下半部处理耗时操作
- 下半部通过软中断work内核线程(仅1个)来实现处理，下半部可参与内核调度
- 线程化中断技术:对每个中断创建一个线程去处理下半部，在多核上效果明显
- 中断流程:中断源->中断控制器->cpu
- 中断分配器可指定某个中断给哪个核去处理
分析中断自然是分析中断控制器入手，arm使用gic中断控制器，下面开始由gic开始，首先来认识gic控制器。
1、GIC基础
参考文档-gic手册
IHI0048B_b_gic_architecture_specification.pdf:下载地址
Documentation – Arm Developer
GIC控制器组成
- 分发器:Distributor
分配器集中所有中断源，确定每个中断的优先级，并为每个CPU接口将具有最高优先级的中断转发给接口，用于优先级屏蔽和抢占处理。
- 处理器接口:CPU interfaces
每个CPU接口块为连接到GIC的处理器提供接口:
•启用向处理器发送中断请求的信号•确认中断 •指示中断处理完成 •为处理器设置中断优先级掩码 •定义处理器的抢占策略 •确定进程的最高优先级挂起中断
中断类别
- SPIs(Shared Peripheral Interrupt)：共享中断，多核共享，从32号硬件中断ID开始编号
- PPIs(Private Peripheral Interrupt)：单CPU私有中断，16-31
- SGIs(Software-generated interrupt): 软件触发中断，CPU间通信,0-15
2、中断处理流程及相关数据结构
中断初始化流程
内核启动阶段会初始化IRQ，自然重点是初始化GIC，有GIC中断控制器驱动提供初始化函数，解析设备树获取GIC分发器和CPU接口寄存器基址，初始化中断总数，设置控制器domian，设置中断入口函数，初始化分发器、CPU接口寄存器，完成GIC初始化和函数设置。
中断发生的时候，set_handle_irq(gic_handle_irq)设置的gic_handle_irq会被调用，是中断处理的一个入口函数。
中断处理流程
中断产生后，从中断向量表开始，一直执行到该中断所对应的中断描述符的handle_irq函数。因此，描述一个中断的irq_desc描述符的初始化尤为重要。
- 中断发生:调到中断向量表处执行，是所有中断总的入口
- 保存现场，调用中断处理函数，最后恢复现场
- 中断处理函数由gic提供，读取gic控制器获取发生的是哪个硬件中断 HW ID
- 根据HW ID在irq_domain中找到 irq num，由此找到irq_desc，该中断描述符
- irq_desc中存在中断处理函数，执行具体中断的处理
中断相关数据结构
中断描述符 irq_desc
描述一个中断，这个结构体存在的意义很清晰，中断描述符，用来描述一个中断，每一个虚拟中断号都对应一项irq_desc，可以根据virq找到这个irq_desc ，可以猜测里面一定有中断处理函数。irq_desc中重要的几个成员:
irq_data:中断的一些数据
handle_irq:发生这个中断的时候，最先调用的函数
action:处理链表，里面存放该中断最终调用的用户注册的处理函数
struct irq_desc { struct irq_data irq_data; unsigned int __percpu *kstat_irqs; irq_flow_handler_t handle_irq;
#ifdef CONFIG_IRQ_PREFLOW_FASTEOI irq_preflow_handler_t preflow_handler;
#endif struct irqaction *action; /* IRQ action list */ unsigned int status_use_accessors; unsigned int core_internal_state__do_not_mess_with_it; unsigned int depth; /* nested irq disables */ unsigned int wake_depth; /* nested wake enables */ unsigned int irq_count; /* For detecting broken IRQs */ unsigned long last_unhandled; /* Aging timer for unhandled count */ unsigned int irqs_unhandled; atomic_t threads_handled; int threads_handled_last; raw_spinlock_t lock; struct cpumask *percpu_enabled;
#ifdef CONFIG_SMP const struct cpumask *affinity_hint; struct irq_affinity_notify *affinity_notify;
#ifdef CONFIG_GENERIC_PENDING_IRQ cpumask_var_t pending_mask;
#endif
#endif unsigned long threads_oneshot; atomic_t threads_active; wait_queue_head_t wait_for_threads;
#ifdef CONFIG_PM_SLEEP unsigned int nr_actions; unsigned int no_suspend_depth; unsigned int cond_suspend_depth; unsigned int force_resume_depth;
#endif
#ifdef CONFIG_PROC_FS struct proc_dir_entry *dir;
#endif int parent_irq; struct module *owner; const char *name;
} ____cacheline_internodealigned_in_smp; 中断数据 irq_data
一个irq_desc对应的中断信息。重要成员:
irq:中断虚拟中断号，IRQ number
hwirq:HW interrupt ID
irq_chip:操作控制器的处理函数
irq_domain:所属中断控制器的域
struct irq_data { u32 mask; unsigned int irq; unsigned long hwirq; unsigned int node; unsigned int state_use_accessors; struct irq_chip *chip; struct irq_domain *domain;
#ifdef CONFIG_IRQ_DOMAIN_HIERARCHY struct irq_data *parent_data;
#endif void *handler_data; void *chip_data; struct msi_desc *msi_desc; cpumask_var_t affinity;
}; irq_chip
中断控制器操作函数抽象。重要成员:
struct irq_chip { const char *name; unsigned int (*irq_startup)(struct irq_data *data); void (*irq_shutdown)(struct irq_data *data); void (*irq_enable)(struct irq_data *data); void (*irq_disable)(struct irq_data *data); void (*irq_ack)(struct irq_data *data); void (*irq_mask)(struct irq_data *data); void (*irq_mask_ack)(struct irq_data *data); void (*irq_unmask)(struct irq_data *data); void (*irq_eoi)(struct irq_data *data); int (*irq_set_affinity)(struct irq_data *data, const struct cpumask *dest, bool force); int (*irq_retrigger)(struct irq_data *data); int (*irq_set_type)(struct irq_data *data, unsigned int flow_type); int (*irq_set_wake)(struct irq_data *data, unsigned int on); void (*irq_bus_lock)(struct irq_data *data); void (*irq_bus_sync_unlock)(struct irq_data *data); 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); unsigned long flags;
}; irq_domain
描述一个中断控制器的域。
irq_domain_ops:提供设备树解析、中断号翻译能力
linear_revmap:中断号对应信息
struct irq_domain { struct list_head link; const char *name; const struct irq_domain_ops *ops; void *host_data; unsigned int flags; /* Optional data */ struct device_node *of_node; struct irq_domain_chip_generic *gc;
#ifdef CONFIG_IRQ_DOMAIN_HIERARCHY struct irq_domain *parent;
#endif /* reverse map data. The linear map gets appended to the irq_domain */ irq_hw_number_t hwirq_max; unsigned int revmap_direct_max_irq; unsigned int revmap_size; struct radix_tree_root revmap_tree; unsigned int linear_revmap[];
}; 3、中断控制器层叠架构
硬件架构
硬件上可以包含很多中断控制器，形成一个上下级的结构。GIC作为一个顶层，与CPU进行交互并提供CPU中断接口。在GIC中断控制器之下存在其他控制器，GPIO就是一个典型的二级中断控制器。
我们知道在设备树中通过“interrupt-controller”修饰来说明自身是一个中断控制器。在设备树中搜索这个关键字，看看有哪些中断控制器:
//顶层GIC中断控制器
intc: interrupt-controller@00a01000 {compatible = "arm,cortex-a7-gic";#interrupt-cells = <3>;interrupt-controller;reg = <0x00a01000 0x1000>,<0x00a02000 0x100>;
};//gpc中断控制器，父亲是GIC中断控制器gpc: gpc@020dc000 {compatible = "fsl,imx6ul-gpc", "fsl,imx6q-gpc";reg = <0x020dc000 0x4000>;interrupt-controller;#interrupt-cells = <3>;interrupts = <GIC_SPI 89 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;interrupt-parent = <&intc>;fsl,mf-mix-wakeup-irq = <0xfc00000 0x7d00 0x0 0x1400640>;};//GPIO中断控制器，父亲是gpc中断控制器gpio1: gpio@0209c000 {compatible = "fsl,imx6ul-gpio", "fsl,imx35-gpio";reg = <0x0209c000 0x4000>;interrupts = <GIC_SPI 66 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,<GIC_SPI 67 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;gpio-controller;#gpio-cells = <2>;interrupt-controller;#interrupt-cells = <2>;interrupt-parent = <&gpc>;};//GPIO中断控制器，父亲是gpc中断控制器gpio2: gpio@020a0000 {compatible = "fsl,imx6ul-gpio", "fsl,imx35-gpio";reg = <0x020a0000 0x4000>;interrupts = <GIC_SPI 68 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,<GIC_SPI 69 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;gpio-controller;#gpio-cells = <2>;interrupt-controller;#interrupt-cells = <2>;interrupt-parent = <&gpc>;};
驱动架构
硬件上既然分出了层叠的中断控制器，自然在驱动上也存在具有层叠关系的中断控制器，在数据结构一节我们知道每个中断控制器都有一个irq_domain来描述该层控制器的能力。在驱动上也将创建出多个中断控制器的irq_domain，并提供该控制器的能力。
以下三个中断控制器相关驱动程序，自然会创建出3个irq_domain.
drivers/irqchip/irq-gic.c
arch/arm/mach-imx/gpc.c
drivers/gpio/gpio-mxc.c
中断对上结构及内核API
中断对上结构
- 一个中断源对应一个中断ID:一对一
- 多个中断源对应一个中断ID:多对一
内核api
GPC的下一级产生中断对应GPC的N个中断，对于GPC来说，对下是1对1的关系。多个GPIO产生的中断对应GPC的1个中断，对于GPIO来说是一个多对1。
一级GIC:
二级GPC:
三级GPIO:
4、中断控制器驱动
4.1 设备树描述
GIC描述:
intc: interrupt-controller@00a01000 {compatible = "arm,cortex-a7-gic";#interrupt-cells = <3>;interrupt-controller;reg = <0x00a01000 0x1000>,<0x00a02000 0x100>;};
imx6ul中加入了GPC用于电源管理，在中断章节也说明了所有常规中断都连接到了GPC中断控制器上，因此，设备树有如下GPC描述:
gpc: gpc@020dc000 {compatible = "fsl,imx6ul-gpc", "fsl,imx6q-gpc";reg = <0x020dc000 0x4000>;interrupt-controller;#interrupt-cells = <3>;interrupts = <GIC_SPI 89 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;interrupt-parent = <&intc>;fsl,mf-mix-wakeup-irq = <0xfc00000 0x7d00 0x0 0x1400640>;};网卡
fec1: ethernet@02188000 {compatible = "fsl,imx6ul-fec", "fsl,imx6q-fec";reg = <0x02188000 0x4000>;interrupts = <GIC_SPI 118 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,<GIC_SPI 119 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;clocks = <&clks IMX6UL_CLK_ENET>,<&clks IMX6UL_CLK_ENET_AHB>,<&clks IMX6UL_CLK_ENET_PTP>,<&clks IMX6UL_CLK_ENET_REF>,<&clks IMX6UL_CLK_ENET_REF>;clock-names = "ipg", "ahb", "ptp","enet_clk_ref", "enet_out";stop-mode = <&gpr 0x10 3>;fsl,num-tx-queues=<1>;fsl,num-rx-queues=<1>;fsl,magic-packet;fsl,wakeup_irq = <0>;status = "disabled";};3.2 内核中断向量表的初始化
中断向量表如下，和裸机相似。
arch/arm/kernel/entry-armv.S
.section .vectors, "ax", %progbits
__vectors_start:W(b) vector_rstW(b) vector_undW(ldr) pc, __vectors_start + 0x1000W(b) vector_pabtW(b) vector_dabtW(b) vector_addrexcptnW(b) vector_irqW(b) vector_fiq 内核启动阶段，从vector段拷贝向量表所有内容到分配的物理地址，并完成向量表到虚拟地址空间的映射关系，映射到虚拟地址0xffff0000位置。
start_kernel // init\main.csetup_arch(&command_line); // arch\arm\kernel\setup.cpaging_init(mdesc); // arch\arm\mm\mmu.cdevicemaps_init(mdesc); // arch\arm\mm\mmu.cvectors = early_alloc(PAGE_SIZE * 2); // 1.分配新向量表early_trap_init(vectors); // 2.从代码把向量表复制到新向量表// 3. 映射新向量表到虚拟地址0xffff0000/** Create a mapping for the machine vectors at the high-vectors* location (0xffff0000). If we aren't using high-vectors, also* create a mapping at the low-vectors virtual address.*/map.pfn = __phys_to_pfn(virt_to_phys(vectors));map.virtual = 0xffff0000;map.length = PAGE_SIZE;#ifdef CONFIG_KUSER_HELPERSmap.type = MT_HIGH_VECTORS;#elsemap.type = MT_LOW_VECTORS;#endifcreate_mapping(&map);gic中断处理
调用handle_irq函数处理中断流程，最终调用用户注册的中断函数。
handle_fasteoi_irqstruct irq_chip *chip = desc->irq_data.chip;mask_irq(desc);handle_irq_event(desc);//调用desc中的action函数，也就是request_irq时的函数cond_unmask_eoi_irq(desc, chip);
总结
中断你能想到什么？
第1:中断向量表，中断发生的时候最先跳转的地方，完成现场保护和恢复，并调用用户注册的中断处理函数。
第2:用户中断处理函数，这个是发生中断的时候要执行的目标内容，比如是接收串口数据，还是处理网卡收发，中断发生时候要做的具体内容。
第3:中断的初始化，完成前面两部的基础是完成中断的初始化，设置好中断向量表的位置，设置好中断的寄存器，比如使能中断。
第4:内核如何找到中断处理函数，根据HW ID到VIRQ NUM，再到irq_desc。
总结，因此中断无非就是维护好irq_desc，他描述了一个中断的信息，发生中断后，找到它，调用处理函数即可。
参考资料:
Linux中断子系统（一）-中断控制器及驱动分析
linux中断子系统(基于imx6ul arm32分析)相关推荐
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