ARM64 linux 中断处理--架构

中断的发展背景

在计算机的发展过程中，外设的速度长期是低于CPU速度的，CPU 不能长期处于等待外设的状态，因此提供了外设通知CPU的方式--中断。

中断描述架构

中断架构分为三部分：

1、中断源，一般由外设产生，称之为 peripheral，是中断发送方;

2、中断控制器, 一般称之为 GIC Controller，负责对中断进行优先级，屏蔽等管理，并根据一定规则路由到CPU;

3、CPU，这是中断的接收方 ，负责处理中断；

中断控制器

struct irq_chip {
        const char    *name;
        void             (*irq_enable)(struct irq_data *data);
        void             (*irq_disable)(struct irq_data *data);
        void             (*irq_mask)(struct irq_data *data);
        void             (*irq_unmask)(struct irq_data *data);
 
        void             (*ipi_send_single)(struct irq_data *data, unsigned int cpu);
        void             (*ipi_send_mask)(struct irq_data *data, const struct cpumask *dest);
        ...
};

linux 使用 struct irq_chip 来描述中断控制器，它提供了对于中断的 enable, disable, mask, unmask等操作。

中断描述

struct irq_desc {
        const char          *name;
        unsigned int            depth;
        struct irqaction    *action;
        struct irq_data            irq_data;
        struct cpumask            *percpu_enabled;        
        ...
};

对于每个中断，linux 使用 irq_desc 来描述，它提供了中断 name, 处理函数， action以及目标cpu.

中断数据

struct irq_data {
        struct irq_chip                *chip;
        struct irq_domain        *domain;
        unsigned int                irq;
        unsigned long                hwirq;
        ...
};

irq_chip"结构体中的每个函数指针，都会携带一个指向struct irq_data的指针作为参数，可见这个"irq_data"与中断控制必定关系密切。也就是说，在"irq_desc"的定义中，与中断控制器紧密联系的这部分被单独提取出来，构成了"irq_data"结构体.

三者关系

中断初始化 

在启动过程中：

1. irq 解析 dts 中包含 interrupt-controller 的 node, 确定为 intc, 然后分配 irq_chip 来描述
2. irq 会对每一个从 dtb 中解析的 irq 都分配 irq_desc 来描述
3. 通过 irq_domain 来建立 hwirq 和 irq 的映射，并确定处理函数
4. 在 gic_init_bases 通过 irq_domain_create_tree 构建.

中断映射

在 irq domain 创建好之后， irq 和 hwirq 映射关系是空的。因此需要提供映射的方式。

典型映射方式

1. 线性映射：线性映射其实就是一个lookup_table, 进行线性映射的方式要求 hwirq 不能太多。使用接口irq_domain_add_linear。
2. radix映射：radix是建立一个 radix-tree,然后以 hwirq 为 index，irq 为 value 添加。使用 irq_domain_add_tree 进行创建映射。
3. no-map： 有些中断控制器很强，可以通过寄存器配置HW interrupt ID而不是由物理连接决定的,在这种情况下，不需要进行映射，我们直接把IRQ number写入HW interrupt ID配置寄存器就OK了，这时候，生成的HW interrupt ID就是IRQ number，也就不需要进行mapping了。对于这种类型的映射，其接口API是 irq_domain_add_nomap.

linux 目前大多采用 radix-tree 方式进行映射

映射流程 

 首先，每个 hwirq 的信息描述通过 dts 进行描述

其次，每个 irq 需要对应一个 struct irq_desc

最后，建立 hwirq 到 irq 的映射

中断处理

中断上下文

 hardirq context 更新

1. 进入中断

/* arm64/kernel/entry-common.c */
void __el1_irq(void)
{
   enter_from_kernel_mode(regs);
 
    irq_enter_rcu();
    do_interrupt_handler(regs, handler);
    irq_exit_rcu(); 
}
    
/* kernel/softirq.c */
void irq_enter_rcu(void)                                                                                                   {
    __irq_enter_raw();
}
 
#define __irq_enter_raw()               \
    do {                        \
        preempt_count_add(HARDIRQ_OFFSET);  \
        lockdep_hardirq_enter();        \
    } while (0)

在进入 hardirq 时， hardirq count 加1.

2.退出中断

/* kernel/softirq.c */
void irq_exit_rcu(void)
{
    __irq_exit_rcu();
    /* must be last! */
    lockdep_hardirq_exit();
}
 
static inline void __irq_exit_rcu(void)
{
    ...
    preempt_count_sub(HARDIRQ_OFFSET);
}

在退出 hardirq 时，hardirq count 减1.

hardirq context 解决的是当前是否在中断中，但是中断的竞争的解决是通过 irq_enable,irq_disable 解决的。

softirq context 更新

1. 进入 softirq

static inline void softirq_handle_begin(void)
{
    __local_bh_disable_ip(_RET_IP_, SOFTIRQ_OFFSET);
}

      2. 退出 softirq

static inline void softirq_handle_end(void)
{
    __local_bh_enable(SOFTIRQ_OFFSET);
}

对于当前 cpu, 当触发softirq 时，只需要更新 SOFTIRQ_OFFSET, 也就是表示是否在中断上下文中。

参考

https://zhuanlan.zhihu.com/p/83709066

中断子系统 - 蜗窝科技