通用中断控制器GIC
1.1 GIC简介
GIC 的全称是 generate interrupt controller，即 通用中断控制器。它是由 ARM公司 开发的一个 中断硬件IP，主要用于管理外设中断。
中断为什么需要管理呢？要解决这个问题，我们需要知道 ARM核CPU 的一些小知识。在我们的 ARM核 上，其实只有 2根 中断线，也就是 IRQ(普通中断) 和 FIQ(快速中断)，我们一个SoC 有许多许多个片上外设，这些片上外设如串口UART、I2C总线 等等都需要使用到中断，但是我们只有 2根 中断线。CPU 要如何才能接收各种各样的外设中断呢？那么这个工作就交给我们的 GIC ，它负责连接到各个外设，接收各个外设的中断，并对这个中断进行仲裁，优先级高的中断的信息能够通过CPU的中断线发送到CPU上，从而引发CPU中断。如下图所示
而GIC 和 CPU 的交互是通过访问对方寄存器，获取对相应的信息，如中断状态或者上报中断信息等，从而实现信息交互的功能，如下图所示：
1.2 GIC及中断术语
1.2.1 GIC组成
我们从上图可以看到，GIC 主要由 Distributor 和 CPU Interface 这 2 个模块组成
Distributor 的作用是用于中断路由，即对中断进行配置及对中断进行仲裁，其主要工作如下：
- 使能中断
- 中断优先级配置
- 中断触发方式配置
-
中断CPU路由，即对于多核 CPU，决定中断发往哪个 CPU
记录每个中断的状态，即是否到来，是否处理中，是否处理完，是否在等待发送状态等等。
CPUInterfac作用是与 CPU 进行中断信息的交互，其主要工作是：
- 使能和发送一个具体的中断信号到特定对应的CPU上，
- 中断状态确认，包括中断已经被CPU接受，处理，以及处理完成。
- 中断仲裁。即根据中断优先级发给不同的CPU，或者进行中断抢占等等
中断信号的传送过程为：
- 中断信号先到 distributor
- 根据该中断设定的目标CPU，送到CPU对应的 CPU Interface 上
- 在 CPU Interface 进行中断仲裁。具体流程为判断中断是否优先级足够高，是否可以抢断或者打断当前的中断处理。如果可以，那么 CPU Interface 就发送一个 中断物理信号 到CPU的 中断线(IRQ或FIQ) 上。CPU感知到中断信号，从而转到中断模式进行处理。
1.2.2 中断类型
- SPI: shared peripheral interrupt , 即共享中断，是常见的外部设备中断。共享的意思是说可以多个Cpu或者说Core处理，不限定特定的Cpu。一般定义的硬件中断号范围 31~1019。共享中断的数量可以通过对 GIC 进行配置来设定
- PPI: private peripheral interrupt，即私有中断。此类中断产生的中断信号只发送给这个特定的cpu进行处理。一般定义的硬件中断号范围 16~31
- SGI: software generatedinterrupt ，即软件中断，此类中断一般用于多核 CPU 之间的通信，是软件出发产生的中断，中断号范围 0~15
设备树节点的中断号属性 一般要减去 32，笔者的理解是：因为前32个中断不是共享中断，而一般外设中断都是共享中断
1.2.3 中断状态
- Inactive：当GIC上配置的中断，配置好之后，没有其对应的中断到来。或者正在处理的中断已经结束，并且 CPU 操作了 GICC_EOIR 寄存器(该过程叫中断完成)，那么此时中断处于 inactive 状态
- Pending：如果中断信号到来，GIC获取到了，这个时候要经过一系列的的判断，然后送给对应的CPU来处理。在CPU确认该中断并处理之前，中断将处理 pending 状态
- active：当 CPU 接收到中断后，并且读取到 GICD_IAR 寄存器中的中断号(该过程叫中断认可)，那么中断会进入 active 状态。
- pending and active：当中断处于 pending 或 active 状态时，又产生了一个 同样的 中断信号，此时会进入该状态
下面是 giv-v2 的中断状态机，上面的描述是相对简单一点的，有兴趣的朋友请阅读手册了解
1.2.4 中断流程
- GIC 决定每个中断的使能状态。不使能的中断，是不能发送中断信号到 CPU
- 如果某个中断的中断源有效，GIC将该中断的状态设置为 pending状态 ，然后判断该中断的 目标CPU
- 对于每一个 CPU， GIC 将当前处于 pending状态 的优先级最高的中断，发送给对应CPU的 cpu interface， cpu interface 接收 GIC 发送的 中断请求，判断优先级是否满足要求，如果满足，就将中断通过 nFIQ 或 nIRQ管脚，发送给 CPU。
- CPU 响应该中断，通过读取 GICC_IAR寄存器，来认可该中断。读取该寄存器，如果是软中断，返回源处理器ID，否则返回中断号。
- 当 CPU 认可该中断后，GIC 将该中断的状态，修改为 active状态
- 当 CPU 完成该中断后，通过写 **EOIR(end of interrupt register)**来实现优先级重置，再通过写 GICC_DIR寄存器，来无效该中断
当然了，GIC 的功能不只上面所说，它还包括了 中断优先级设置，中断目标CPU设置，中断组设置 等等功能，这些功能的实现都是通过操作 GIC 的寄存器来实现。对于 GIC 有兴趣的同学可以找到官方文档进行阅读
- 《GIC-400 Generic Interrupt Controller Technical Reference Manual》
- 《Generic Interrupt Controller Architecture version 2.0 Architecture Specification》