ARM通用中断控制器GIC(generic Interrupt Controller)简介
参考文档：
Documentation – Arm Developer
ARM Generic Interrupt Controller Architecture Specification
目录
一，GIC的作用
二，GIC的组成
二，中断状态 Interrupt states
三，中断类型
1，软件中断Software Generated Interrupt (SGI)
2，外设中断（Peripheral interrupt）
Private Peripheral Interrupt (PPI)
Shared Peripheral Interrupt (SPI)
Edge-triggered
Level-sensitive
四，中断配置Configuration
五，中断初始化 Initialization
六，中断处理 handling
ARM提供了一个可用于ARMv8-A系统的通用中断控制器GIC，这个中断控制器的编程接口在GIC架构中定义。通用中断控制器(GIC)支持多核系统中cores之间由软件生成（SGI）、私有（PPI）和共享外设（SPI）中断的路由。
GIC架构还提供了可用于管理中断源和行为的寄存器，以及(在多核系统中)将中断路由到各个core的寄存器。它使软件能够屏蔽、启用和禁用来自单个源的中断，对单个中断源(在硬件上)进行优先级排序，并生成软件中断。GIC接受在系统级别断言的中断，并可以向它所连接的每个core发出信号，可能导致IRQ或FIQ异常。
一，GIC的作用
GIC可用于ARM A系列和R系列的单core或者多core的架构，在至少1个core的系统中管理中断，它支持：
- 有相关寄存器来管理中断源（interrupt sources），中断行为（interrupt behavior）以及中断路由（interrupt routing）
- ARM 架构的安全扩展
- ARM架构虚拟化扩展（实现ARM虚拟化扩展的处理器也必须实现ARM安全扩展）
- 从硬件（外设）中断源中，使能、禁止以及产生处理器中断
- 软件生成中断(SGI)
- 中断屏蔽以及优先级
- 支持单核和多核环境
- 在电源管理环境（power-management environments)中被事件唤醒
二，GIC的组成
GIC主要有两大功能模块，分发器（Distributor）和CPU接口（CPU Interface）：
- 分发器（Distributor）：系统中的所有中断源都与之相连接。Distributor有寄存器可以控制每个中断的属性，比如优先级、状态、安全状态、路由信息以及使能状态等。Distributor通过连接的CPU interface，可以决定将哪个中断转发到指定的core中。
- CPU接口（CPU interface）：core通过CPU interface来接收中断，CPU interface通过寄存器来屏蔽、确认以及控制转发到指定core的中断。在系统中每个core有个独立的CPU interface。
在软件层面，中断由一个称为中断ID的数字标识。中断ID与中断源一一对应，软件可以使用中断ID来识别中断的来源，并调用相应的处理程序来为中断提供服务。此外，显示给软件的确切中断ID是由系统设计决定的。
二，中断状态 Interrupt states
以下状态适用于GIC和连接的处理器之间的每个接口：
| Inactive（非活跃） | 不是活动的或挂起的中断，这意味着当前还没有断言（assert）中断。 | |
| Pending（挂起） | 已经被断言（asserted），但是等待core进行处理。挂起的中断将会被转发到CPU interface，然后会被core进行处理。 | |
| Active（活跃） | 该中断已被core确认，正在处理，但尚未完成。 | |
| Active and pending（活跃并挂起） | 一个core正在处理中断，而GIC有一个来自同一源的挂起的中断。 |
中断的优先级和可以被转发到的core列表都在Distributor中配置，Distributor确定可以传递到core的处于pending状态的最高优先级的中断， 然后转发到与该core相连的CPU interface。在CPU interface中，中断被依次发送给core，然后在core中会发生FIQ或者IRQ异常。
Core会执行异常处理器（exception handler），handler必须从CPU interface 寄存器中获取到该中断的ID号，然后开始处理中断源。当处理完成后，handler必须对CPU interface的寄存器（EOI）进行写入，以说明中断处理完成。
一个中断状态变化过程：
- Inactive -> Pending：当中断被外设断言时
- Pending -> Active：当中断处理器（handler）获知了当前中断
- Active -> Inactive：handler处理完成了中断
在Distributor中有相关寄存器能显示不同中断ID的当前中断状态，GIC提供寄存器来控制SPI中断转发到哪些core。这种机制使操作系统能够在core之间进行共享和分发中断。
三，中断类型
1，软件中断Software Generated Interrupt (SGI)
这是由软件显式生成的，通过写入专用的Distributor寄存器，即Software Generated Interrupt Register (GICD_SGIR)。它最常用于core间通信。可以针对所有SGI，也可以针对系统中选定的一组cores。中断ID为0-15。用于给定中断的中断ID是由生成它的软件设置的。
SGI具有边缘触发属性。中断的软件触发相当于中断请求信号的边缘转移。
当一个SGI在多处理器实现中发生时，Interrupt Acknowledge Register，GICC_IAR的CPUID字段（或者是Aliased Interrupt Acknowledge Register，GICC_AIAR）可以确认是哪个core在请求中断。
2，外设中断（Peripheral interrupt）
外设中断可分为私有外设中断（Private Peripheral Interrupt，PPI）和共享外设中断（Shared Peripheral Interrupt，SPI）：
Private Peripheral Interrupt (PPI)
特定于单个处理器的外设中断，这是一个全局外设中断，Distributor可以将其路由到一个或多个指定的cores。中断ID为16-31。这些ID标识了core私有的中断源，并且独立于另一个core上的同一中断源。
Shared Peripheral Interrupt (SPI)
Distributor可以将其路由到任何指定的处理器组合。这是由一个外设生成的中断，GIC可以将它路由到一个到多个core。中断号为32-1020。SPI用于从整个系统可访问的各种外设发出信号中断。
每个外设中断也可以分为边缘触发中断和电平敏感中断：
Edge-triggered
这是一种在检测到中断信号的上升边缘时断言的中断，然后不管信号的状态如何，都保持断言，直到被本规范定义的条件清除为止。
Level-sensitive
当中断信号级别是活动的时候就断言，当中断信号级别不是活动的时候就撤销断言。
四，中断配置Configuration
GIC作为内存映射的外设被访问，所有的core都可以访问公共的Distributor，但是CPU interface 是banked的，这意味着，每个core可以使用相同的地址来访问它们各自私有的CPU interface，但是一个core不能访问其他core的CPU interface。
Distributor中有一系列的寄存器用来配置每个独立中断的属性，可以配置的属性包括：
- 中断优先级interrupt priority (GICD_IPRIORITY<n>)，Distributor使用这个属性来决定接下来哪个中断将会被转发到CPU interface。
- 中断配置 interrupt configuration (GICD_ICFGR<n>)，这个决定中断是电平敏感还是边缘触发，但对SGI中断不适用，SGI只具有为边缘触发特性。
- 中断目标处理器 interrupt target (GICD_ITARGETSR<n>)，这个属性只对SPI适用，它决定了一个中断可以转发到的core列表。
- 中断使能和禁止状态 Interrupt enable or disable status (GICD_ISENABLER<n> and
GICD_ICENABLER<n>)。只有中断在Distributor中被使能enable，当中断变成pending状态的时候才会被转发。 - 中断安全特性 Interrupt security (GICD_IGROUPR<n>)，这决定了中断是否被分配到 Secure 还是 Normal (Non-Secure）区域。
- 中断状态，Interrupt state
Distributor还提供了优先级屏蔽(priority masking)，相当于优先级阈值，通过它，低于某个优先级的中断将被阻止到达core。Distributor在确定是否可以将pending中断转发到特定的核心时使用此方法。此外，每个core与之相连的CPU interface可以实现对中断更精细的控制。
五，中断初始化 Initialization
Distributor和CPU interface都会在reset的时候被disable，GIC必须在reset之后进行初始化，以便可以将中断传递到core中。
在Distributor中，软件必须配置：优先级，目标core，安全性以及enable 状态等属性，随后必须通过其控制寄存器(GICD_CTLR)启用Distributor。
对于每个CPU interface，软件必须编写控制中断的优先级掩码priority mask以及抢占设置preemption settings（中断抢占，即中断嵌套）。每个cpu interface接口必须通过控制寄存器(GICD_CTLR)来使能，然后GIC才可以将中断转发到指定core中。
在core预期中断到来之前，软件通过需在中断向量表中设置有效的中断向量，在PSTATE中清除中断掩码位，以及设置路由控制，让core接收中断。
系统的完整的中断机制可以通过disable Distributor来禁止，中断传递到core中的功能也可以通过disable CPU interface来禁用，此外，每个独立的中断也可以在Distributor阶段被使能或者禁止。
所以中断若想传递到core中，Distributor和CPU interface都必须被使能，并且需要足够的优先级（高于在优先级阈值）。
六，中断处理 handling
- 当core开始处理中断时，它首先从中断向量表中获取最顶层（top-level）的中断向量，然后跳转到该向量所指向的handler并开始执行。
- 最顶层的中断向量指向中断处理器（handler），将会读取Interrupt Acknowledge Register，IAR寄存器来从CPU interface 中获得当前的中断ID，当中断ID返回后，这个读操作会让Distributor把当前中断的状态标记为Active。
- 一旦中断ID被知晓（识别了中断源），最顶层的中断handler将会派发一个针对这个中断源的handler来处理这个中断。
- 当针对该中断源的中断handler处理完了该中断，这个最顶层的handler将会在CPU interface 中，把该中断的ID写入End of Interrupt (EoI) 寄存器，这个操作将会让CPU interface转发其他正在pending状态的中断到core中，也包括处理单个中断的时候。
- 等待当前core处理的中断可能不止一个，但是CPU interface一次只能转发一个中断到core中，最顶层的中断handler将会重复上述流程，直到它读到了特殊的中断ID值1023，表明当前core以及没有正在pending的中断需要处理了，这个特殊的中断ID也称为虚假中断ID（spurious interrupt ID）。
虚假中断ID 1023是个保留值，不能分配给任何设备，当顶层中断handler读到这个值时，它将完成它的执行，并且准备将core恢复上下文（在处理中断前的状态）。
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