中断控制器介绍-软件篇(linux)

软件框架

1. CPU arch layer：具体cpu架构相关的中断处理部分，比如arm的异常向量表机制

2. IRQ chip driver：具体的中断控制器驱动，比如arm gicv3驱动，与gic的寄存器交互

3. IRQ subsystem：kernel的中断子系统，主要包括cpu、中断控制器无关的核心处理逻辑，包括中断处理流程，中断号映射管理，中断线程化以及各类中断的申请与释放

4. Device driver：通用外设驱动，使用irq subsystem提供的api来使用中断相关功能

数据结构

1. irq_domain

hwirq是中断控制器自己内部的编号，一个中断控制器一般一个中断域，也可以多个

swirq是linux系统全局唯一的软件编号，可以映射为irq domain + hwirq的组合

1. irq_desc

irq_desc 与 irq 一一对应，包含了描述信息，有个全局的radix tree描述这个信息

1. irq_chip

1. irq_data

1. irqaction

这里的irq是linux内部的全局软件中断号，void * dev_id可以自定义传参

1. 连接关系

其中irq_domain、irq_domain_ops、irq_chip为per irq domain 的数据，其他的都是per irq的数据

allocated_irqs作为软件中断号为索引的全局数组来表示中断号的分配情况

irq_desc有两种组织方式

CONFIG_SPARSE_IRQ = y

• 稀疏分配模式

• irq_desc 不是全局大数组，而是动态按需分配，放在 (irq_desc_tree) 里。

• 空间占用更小，特别适合有 上万个潜在中断号 的系统（如 ARM64 GICv3/ITS，PCIe MSI/MSI-X）。

mtree = multi-order radix tree，是内核中 lib/maple_tree.c 提供的数据结构。

它比 radix tree 更高效，支持批量分配/释放，后来也被应用在 vma 管理上（取代 rbtree）。

在 IRQ 子系统里，sparse_irqs 就是一个 maple tree 根节点，用来存放稀疏分配的 irq_desc。

!CONFIG_SPARSE_IRQ（即没有开启这个选项）

• 紧凑分配模式

• 内核在启动时直接分配一个 irq_desc[NR_IRQS] 全局数组。

• 每个中断号都对应一个固定的 slot。

• 查找快（直接数组索引），但浪费内存。

中断注册

整体流程就是将中断相关数据结构关联完成

1. DTS node中的 interrupts 属性，例如 interrupts = <GIC_SPI 637 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH 0>;

2. GICv3 驱动初始化，创建了 GIC 的 irqdomain

3. 软件驱动中调用platform_get_irq：

   1. 从 allocated_irqs bitmap 中申请 irq，然后申请 irq_desc，将两者关联并且插入到 irq_desc_tree

   2. 调用 gic irq domain 的 alloc 函数，将 hwirq 和 irq_data 插入到 irq_domain 的 revmap_tree，完成 hwirq 到 irq_desc 关联（通过 irq_data 外包结构体 irq_desc 找到）

4. 软件驱动中调用request_irq/request_threaded_irq:

   1. 将软件关心的 handler/thread_fn 更新到 irqaction （irq_desc的子模块）

中断处理

1. 外设发生中断，报到 GIC 后，满足上报条件，则 GIC 上报 IRQ 给 CPU；

2. CPU 进入异常处理，执行 IRQ 异常向量表：

   1. 上下文保存

   2. 调用中断处理器注册的处理函数

   3. GICv3 初始化时设置为了 gic_handle_irq

   4. 这就是中断处理的 C 语言接口

3. 读取 GIC IAR 寄存器获取 hwirq；

4. 通过 GIC irq domain 找到该 hwirq 对应的 irqdata

5. 通过 container_of 找到 irqdata 外包的 irq_desc

6. 调用 irq_desc 中记录的 irq_action 中的 handle 与 thread_fn