【Linux驅動-快速回顧】一文快速理解GIC內部寄存器對中斷的控制

第一部分：GIC的功能和組成

1. GIC要解決的根本問題
在一個復雜的片上系統（SoC）中，有非常多的硬件模塊（如定時器、串口、按鍵、DMA等），它們都需要在完成任務或遇到特定事件時通知CPU。同時，系統里可能有多個CPU核心。因此，必須有一個統一的、專門的硬件來管理這些中斷請求。它需要解決：

來源管理：管理成百上千個中斷源。
優先級仲裁：當多個中斷同時發生時，決定哪個更重要，應該先被處理。
中斷路由：決定將一個中斷發送給哪個CPU核心去處理。
狀態同步：確保CPU和中斷控制器之間的狀態是一致的，比如一個中斷正在被處理時，就不應該再次打擾CPU。

GIC (Generic Interrupt Controller) 就是 ARM 定義的用來解決以上所有問題的標準硬件模塊。

2. GIC的核心組件
根據文檔，GIC 主要由兩個功能模塊組成，它們的職責劃分非常清晰：

分發器 (Distributor)
- 職責：作為整個系統的中斷“管理中心”和“仲裁中心”。
- 具體工作：
  1. 接收所有中斷：系統中所有外設的中斷信號線都連接到 Distributor。
  2. 配置中斷屬性：軟件通過 Distributor 的寄存器來配置每個中斷的屬性，包括：
    - 優先級 (Priority)：定義中斷的重要程度。
    - 目標CPU (Target)：指定這個中斷可以發送給哪些CPU核心。
    - 觸發方式 (Configuration)：是電平觸發還是邊沿觸發。
    - 使能/禁用 (Enable/Disable)：控制一個中斷是否被允許。
  3. 仲裁：在所有已觸發且被使能的中斷中，找出優先級最高的那一個。
  4. 轉發：將這個最高優先級的中斷，轉發給其目標CPU對應的“CPU接口”。
CPU接口 (CPU Interface)
- 職責：作為 Distributor 和單個CPU核心之間的“信使”。每個CPU核心都有一個自己專屬的 CPU Interface。
- 具體工作：
  1. 接收中斷：從 Distributor 接收已經仲裁過的、最高優先級的中斷。
  2. 優先級過濾 (Masking)：CPU Interface 內部可以設置一個優先級閾值。如果接收到的中斷的優先級不夠高（低于這個閾值），它就不會去打擾CPU。
  3. 通知CPU：如果中斷通過了優先級過濾，CPU Interface 會向其對應的CPU核心發出一個物理的中斷信號（IRQ 或 FIQ）。
  4. 提供中斷信息：當CPU響應中斷后，軟件可以通過讀取 CPU Interface 的寄存器來獲知當前中斷的ID號。
  5. 處理完成通信：當軟件處理完中斷后，通過寫入 CPU Interface 的寄存器來通知 GIC。

Distributor 負責多對多（多個中斷源到多個CPU）的管理和決策；
CPU Interface 負責一對一（Distributor 到單個CPU）的通信和執行。

好的，我們完全按照要求，用更直接、無修飾的語言來重新講解第二部分。我們將嚴格遵循硬件和軟件的交互行為，來描述一個中斷從產生到處理完成的全過程。

第二部分：從中斷觸發到CPU處理，發生了什么？

第1步：中斷源觸發與Pending狀態的設置

物理層：外部設備（如GPIO）的信號線電平發生變化，該信號被送入GIC Distributor。
GIC Distributor的行為：
1. Distributor硬件邏輯檢測到輸入信號。
2. 硬件查詢該中斷ID對應的使能寄存器（GICD_ISENABLERn）。
3. 若該中斷ID被使能，Distributor在內部狀態寄存器中，將該中斷ID的標志位設置為 Pending (掛起)。
Pending狀態的定義：表示一個有效的中斷請求已經由GIC記錄，正在等待GIC的后續處理。

第2步：優先級仲裁

內部事件：Distributor的仲裁邏輯被觸發。這可能在有新的中斷變為Pending狀態時發生。
GIC Distributor的行為：
1. 硬件邏輯掃描所有處于Pending狀態的中斷ID。
2. 對于每一個Pending的中斷ID，硬件會讀取其對應的優先級寄存器（GICD_IPRIORITYRn）中的值。
3. 硬件比較所有這些優先級值，并選擇值最小（即優先級最高）的中斷ID作為本次處理的目標。
仲裁結果：Distributor確定了當前應該被處理的、優先級最高的中斷請求。

第3步：向CPU接口轉發與優先級過濾

事件：Distributor已選出最高優先級的中斷ID。
GIC Distributor的行為：
1. 硬件讀取該中斷ID的目標處理器寄存器（GICD_ITARGETSRn），確定目標CPU。
2. Distributor通過內部總線，將這個最高優先級的中斷ID及其優先級信息，發送給目標CPU的專屬CPU Interface。
GIC CPU Interface的行為：
1. CPU Interface接收到來自Distributor的中斷請求。
2. 硬件執行優先級過濾：它將收到的中斷的優先級，與CPU Interface內部的優先級屏蔽寄存器（GICC_PMR）的值，以及當前正在處理的中斷的優先級組（如果有的話）進行比較。
3. 只有當新中斷的優先級嚴格高于過濾閾值時，該中斷才被接受。
4. 若中斷被接受，CPU Interface會驅動連接到CPU核心的物理IRQ（或FIQ）信號線，使其變為有效電平。

第4步：CPU響應與中斷確認 (Acknowledge)

事件：CPU核心檢測到其IRQ信號線變為有效。
CPU硬件的行為：
1. 若CPU的中斷屏蔽位（CPSR寄存器中的I/F位）未置位，CPU將暫停當前指令的執行。
2. 硬件自動將程序計數器（PC）和相關寄存器壓入當前模式的堆棧。
3. 硬件強制將PC設置為中斷向量表中預定義的IRQ異常向量地址。
軟件（異常處理程序）的行為：
1. 位于異常向量地址的程序開始執行。其首要任務是執行對CPU Interface的 GICC_IAR (Interrupt Acknowledge Register) 的讀操作。
讀GICC_IAR的直接后果：
1. 對軟件而言：該讀操作返回一個32位值，其中包含了觸發本次中斷的硬件中斷ID。
2. 對GIC硬件而言：GIC檢測到對GICC_IAR的讀訪問，會原子地更新該中斷ID的狀態：清除其Pending標志位，并設置其Active標志位。
Active狀態的定義：表示該中斷已被CPU獲知，并且其對應的服務程序即將或正在執行。GIC將不會再次向CPU轉發同一個處于Active狀態的中斷請求。
- 并發情況：若一個中斷在Active期間再次被外設觸發，它的狀態將變為Active and Pending。

第5步：中斷服務程序執行

事件：軟件已從GICC_IAR獲取了硬件中斷ID。
軟件（操作系統）的行為：
1. 軟件使用該硬件中斷ID作為索引，在中斷分派表中查找對應的中斷服務程序（ISR）的地址。
2. 調用該ISR。
3. ISR執行與中斷源設備相關的特定操作。

第6步：中斷處理完成與中斷結束 (End of Interrupt)

事件：中斷服務程序（ISR）已執行完畢。
軟件（異常處理程序）的行為：
1. 在從異常處理流程返回前，軟件必須執行對CPU Interface的 GICC_EOIR (End of Interrupt Register) 的寫操作，寫入的值是第4步中獲取的那個硬件中斷ID。
寫GICC_EOIR的直接后果：
1. 對GIC硬件而言：GIC檢測到對GICC_EOIR的寫訪問，會清除該中斷ID的Active標志位。
2. 狀態轉移：
  - 如果該中斷狀態之前是單純的Active，現在將變為Inactive（非活動）。
  - 如果該中斷狀態之前是Active and Pending，現在Active位被清除后，狀態將變回Pending。GIC的仲裁邏輯會立刻將這個新的Pending中斷納入下一輪仲裁。
CPU恢復：軟件執行異常返回指令（如SUBS PC, LR, #4），CPU從堆棧中恢復之前保存的上下文，并從被中斷的指令處繼續執行。

省流版本

1.中斷發生，Distributor檢測到輸入信號，提取中斷ID號，使能寄存器（GICD_ISENABLERn），將該中斷狀態寄存器設置為掛起Pending

2.Distributor找出當前觸發的優先級最高的中斷

3.Distributor提取當前最高優先級中斷ID的目標CPU，轉發給CPU專屬的CPU Interface

4.CPU Interface接收到來自Distributor中斷請求，將其優先級與優先級屏蔽寄存器的值比較，符合條件則：驅動連接到CPU核心的物理IRQ（或FIQ）信號線，使其變為有效電平

5.CPU核心檢測到其IRQ信號線變為有效，且CPU的中斷屏蔽位未置位：
停止當前指令執行，壓棧：將程序計數器（PC）和相關寄存器壓入當前模式的堆棧；

6.強制將PC設置為中斷向量表中預定義的IRQ異常向量地址；

7.執行對CPU Interface的 GICC_IAR (Interrupt Acknowledge Register) 的讀操作
原子地更新該中斷ID的狀態：清除其Pending標志位，并設置其Active標志位

8.執行對應對應中斷，完成后執行對CPU Interface的 GICC_EOIR (End of Interrupt Register) 的寫操作

9.軟件執行異常返回指令（如SUBS PC, LR, #4），CPU從堆棧中恢復之前保存的上下文，并從被中斷的指令處繼續執行

第三部分：上文提到的中斷寄存器專講

我們繼續按照觸發順序講解這些寄存器
這樣更能清晰一些

第1步：了解GIC硬件能力 (可選，但良好驅動的實踐)

在配置之前，軟件可以先讀取一些只讀寄存器，了解當前GIC的規格。

**GICD_TYPER 了解GIC一些基礎信息

(Interrupt Controller Type Register)**
作用: 讀取此寄存器，可以知道：
這個GIC最多支持多少個中斷 (ITLinesNumber)、
實現了多少個CPU接口 (CPUNumber)、
是否支持安全擴展 (SecurityExtn) 等。
這讓驅動可以動態適應不同的硬件。
在這里插入圖片描述

位域	名	讀寫	描述
15:11	LSPI	R	如果GIC實現了安全擴展，則此字段的值是已實現的可鎖定SPI的最大數量，范圍為0（0b00000）到31（0b11111）。如果此字段為0b00000，則GIC不會實現配置鎖定。如果GIC沒有實現安全擴展，則保留該字段。
10	SecurityExtn	R	表示GIC是否實施安全擴展： 0未實施安全擴展； 1實施了安全擴展
7:5	CPUNumber	R	表示已實現的CPU interfaces的數量。已實現的CPU interfaces數量比該字段的值大1。例如，如果此字段為0b011，則有四個CPU interfaces。
4:0	ITLinesNumber	R	表示GIC支持的最大中斷數。如果ITLinesNumber = N，則最大中斷數為32*(N+1)。中斷ID的范圍是0到（ID的數量– 1）。例如：0b00011最多128條中斷線，中斷ID 0-127。中斷的最大數量為1020（0b11111）。無論此字段定義的中斷ID的范圍如何，都將中斷ID 1020-1023保留用于特殊目的

第2步：對每一個“計劃使用”的中斷進行單獨配置

1.GICD_ICFGRn ：設置中斷的觸發方式

(Interrupt Configuration Registers)
置該中斷是電平觸發 (Level-sensitive) 還是邊沿觸發 (Edge-triggered)。這個必須根據外設的硬件手冊來設置，否則中斷會行為異常
在這里插入圖片描述
這里兩位代表一個中斷，一個GICD_ICFGRn 寄存器能配置16個中斷
已知硬件中斷號m怎么知道GICD_ICFGRn 的n是多少？用m整除16即可得到n
然后是哪個字段？（兩位等于一個字段）
假設中斷號34，34/16=2，余2，所以F=2，所以寄存器位是【22，22+1】
也就是【4，5】
Int_config[1] (高位，即 bit[5])：0 = 電平觸發, 1 = 邊沿觸發。
Int_config[0] (低位，即 bit[4])：保留位，通常寫0。

2.Distributor (分組 , GICD) GICD_IGROUPRn

(GICD_ Interrupt GROUP Registers)

在這里插入圖片描述
一位即可表示是否為安全中斷，一個寄存器能給32個中斷置位
某一位
置位 0（通常是安全中斷，FIQ）
置位 1（通常是非安全中斷，IRQ）的中斷分發

非安全中斷：給主操作系統（如Linux）用的常規中斷

是什么？
- 處理普通任務的中斷。
誰產生？
- 普通的、非敏感的硬件設備。比如：網卡、普通按鍵、串口、觸摸屏。
誰處理？
- 主操作系統，比如你手機上的Android系統或電腦上的Linux/Windows系統。
有什么用？
- 讓主操作系統知道硬件發生了事。比如網卡收到數據了，Linux內核就去處理這個數據。
在GIC里怎么設置？
- 通過 GICD_IGROUPRn 寄存器，把這個中斷對應的位設置為 1。

安全中斷 (Secure Interrupt / Group 0 Interrupt)
安全中斷是給一個獨立的安全系統用的特殊中斷，主操作系統（如Linux）不能處理它，也通常不知道它的存在

是什么？
- 處理高度敏感和機密任務的中斷。
誰產生？
- 受保護的、敏感的硬件設備。比如：指紋傳感器、加密芯片、安全定時器。
誰處理？
- 一個獨立于主操作系統之外的、微型的安全系統（常被稱為TEE，Trusted Execution Environment）。這個安全系統和Linux是隔離的。
有什么用？
- 處理那些絕對不能讓主操作系統（比如Linux）接觸到的數據。比如，指紋識別過程中的數據，必須由安全系統處理，以防被Linux上的惡意軟件竊取。
在GIC里怎么設置？
- 通過 GICD_IGROUPRn 寄存器，把這個中斷對應的位設置為 0。

3.優先級 (Priority) - GICD_IPRIORITYRn

在這里插入圖片描述
因為設置了256個優先級，所以描述一個中斷的優先級需要8位
一個寄存器32位可以設置四個中斷的優先級

目標CPU (Targeting) - GICD_ITARGETSRn (主要用于SPI)

在這里插入圖片描述
這個是GICV2版本下，采用位圖方式（每一位代表一個目標CPU），最多只支持8核CPU。

第3步：使能/禁用中斷

1.GICD_ISENABLERn (Set-Enable) / GICD_ICENABLERn (Clear-Enable)

(中斷分發)
( Interrupt Set-Enable Registers)
在這里插入圖片描述
每一位控制一個中斷的轉發，如果沒有
向 GICD_ISENABLERn 的 bit 位寫1來使能中斷。
向 GICD_ICENABLERn 的 bit 位寫1來禁用中斷。
“轉發” = 傳遞中斷信號給CPU核心

中斷首先由GIC接收。但GIC是否會將該中斷傳遞（轉發）給CPU核心，取決于以下條件
1.中斷是否使能（由2.ICD_ISENABLERn/GICD_ICENABLERn控制）。中斷的優先級、目標CPU核心等其他配置是否滿足。

第4步：配置CPU接口

1.優先級屏蔽:GICC_PMR

Interrupt Priority Mask Register
作用: 設置當前CPU的優先級“門檻”。CPU將只處理優先級高于此寄存器值的中斷（即優先級數值小于PMR值）。
32位寄存器，只有前八位有效，因為前面的也是八位優先級在這里插入圖片描述

2.優先級分組-GICC_BPR

Binary Point Register
在這里插入圖片描述
GICC_BPR 寄存器里那3位 [2:0] 的值 (0到7)，就定義了拆分的“分割點”。
這個分割點 BPR_Value 的含義是：8位優先級中，有多少位屬于子優先級。
8位優先級： [ bit7, bit6, bit5, bit4, bit3, bit2, bit1, bit0 ]

第4步：打開總開關 (最后一步)

GICD_CTLR (Distributor Control Register)

作用: 分發器總開關。
在這里插入圖片描述

把它理解為整個GIC分發器的“總電源開關”就對了。
在你把所有中斷都精心配置好（設置好優先級、目標CPU、觸發方式等）之后，最后一步就是打開這個總開關，GIC才能正式開始工作。

位 [0] - EnableGrp0 (使能組0)
- 作用：控制 Group 0 中斷的轉發。
- 0：關閉。所有屬于Group 0的中斷，即使已經觸發（處于pending狀態），也會被GIC分發器攔住，不會被發送給任何CPU接口。就像閘門A關閉了。
- 1：打開。GIC分發器會根據優先級規則，將處于pending狀態的Group 0中斷正常轉發給CPU接口。就像閘門A打開了。
位 [1] - EnableGrp1 (使能組1)
- 作用：控制 Group 1 中斷的轉發。
- 0：關閉。所有屬于Group 1的中斷都會被攔住，不會被發送出去。就像閘門B關閉了。
- 1：打開。GIC分發器會根據優先級規則，將處于pending狀態的Group 1中斷正常轉發給CPU接口。就像閘門B打開了。

GICC_CTLR (CPU Interface Control Register)

作用: 當前CPU接口的總開關。
GICC_CTLR 就是每個CPU核心自己的“中斷接收器開關”。

主要功能：它到底控制了什么？

它主要控制兩件大事：

全局開關：決定當前這個 CPU 核心是否要開始處理中斷。
高級行為配置：微調一些中斷處理的細節，比如如何結束中斷、如何處理被屏蔽的信號等。

位域講解 (Bit Fields)

我們直接按功能塊來講解最重要的幾個位，這比按數字順序更容易理解。

1. 最重要的全局開關

EnableGrp0 (位 0)
- 功能：Group 0 (安全中斷, 通常是 FIQ) 的總開關。
- 設置為 1: 允許當前 CPU 核心接收并處理來自 GIC 的 Group 0 中斷。
- 設置為 0: 屏蔽當前 CPU 核心的所有 Group 0 中斷。即使 GIC 已經把中斷信號發過來了，到這里也會被擋住。
EnableGrp1 (位 1)
- 功能：Group 1 (非安全中斷, 通常是 IRQ) 的總開關。
- 設置為 1: 允許當前 CPU 核心接收并處理來自 GIC 的 Group 1 中斷。
- 設置為 0: 屏蔽當前 CPU 核心的所有 Group 1 中斷。

使用要點：在系統初始化時，必須根據你需要處理的中斷類型，將這兩位或其中一位設置為 1。這是讓中斷系統工作的最基本前提。

2. 中斷結束行為的配置

EOImode (位 9)
- 功能：控制**“中斷結束”** (GICC_EOIR 寄存器) 的行為模式。
- 背景：當你向 GICC_EOIR 寫入一個值表示中斷處理完畢時，GIC 硬件內部會做兩件事：
  1. 優先級降低 (Priority Drop)：允許其他中斷可以搶占。
  2. 中斷去激活 (Deactivation)：將中斷狀態從“Active”移除。
- EOImode = 0 (默認模式)：寫一次 GICC_EOIR，硬件自動完成上面兩件事。簡單直接。
- EOImode = 1 (分離模式)：寫一次 GICC_EOIR，硬件只做第一件事（降低優先級）。你需要再向另一個寄存器 GICC_DIR 寫入相同的值，才能完成第二件事（去激活）。這是一種性能優化手段，用于復雜的嵌套中斷，普通應用用不到。

3. 中斷信號傳遞的微調

FIQEn (位 3)
- 功能：決定 GIC 的 CPU 接口是否要將 Group 0 的中斷信號物理地傳遞給 CPU 的 FIQ 引腳。
- 設置為 1: 正常傳遞，觸發 FIQ 異常。
- 設置為 0: 不傳遞。等于在軟件層面掐斷了 FIQ 信號線。
CBPR (位 4) - Control Bypass and Priority Register
- 功能：控制 Group 0 和 Group 1 中斷的優先級處理方式。
- CBPR = 0: Group 0 和 Group 1 的中斷共享同一個優先級寄存器 (GICC_PMR)。
- CBPR = 1: Group 0 和 Group 1 使用各自獨立的優先級處理邏輯。這允許你為安全中斷和非安全中斷設置不同的優先級屏蔽策略。