Arm Generic Interrupt Controller v3 and v4（GICv3v4）学习（一）

提示

该博客主要为个人学习，通过阅读官网手册整理而来（个人觉得阅读官网的英文文档非常有助于理解各个IP特性）。若有不对之处请参考参考文档，以官网参考文档为准。
Arm Generic Interrupt Controller v3 and v4学习一共分为三章，这是第一章

• 第一章：讲解GIC，主要为基础知识，SPI、PPI与SGI配置
• 第二章：讲解LPI
• 第三章：讲解Virtualization

1 Background

中断是发送给处理器的一个信号，表明已经发生了需要处理的事件。中断通常是由外围设备产生的。
小型系统可能只有几个中断源和一个处理器。然而，较大的系统可能有更多潜在的中断源和处理器。GIC执行中断管理、优先级和路由等关键任务。GIC整理来自整个系统的所有中断，对它们设置优先级，并将它们发送到一个core进行处理。GIC主要用于提高处理器效率和启用中断虚拟化。
GIC是基于Arm GIC架构实现的。这个体系结构已经从GICv1发展到最新版本的GICv3和GICv4。Arm有几个通用的中断控制器，它们为所有类型的Arm Coretex多核处理器系统提供了一系列的中断管理解决方案。这些控制器的范围从具有具有小CPU内核数量的系统的最简单的GIC-400到具有高性能和多芯片系统的GIC-600。GIC-600AE为ASIL D系统增加了针对高性能ASIL B的额外安全特性。

2 Before you begin

本章涵盖了GICv3和v4的基本操作，以及共享外设中断（SPIs）、私有外设中断（PPIs）和软件生成中断（SGIs）的使用。
GICv3和GICv4允许几种不同的配置和用例。为简单起见，本章集中介绍这些配置和用例中的一个子集，其中：

• 目前有两个安全（Security）状态
• 对这两个安全状态都启用了Affinity routing
• 在所有异常级别上都使能了系统寄存器访问权限
• 连接的处理器或多个处理器符合Armv8-A或Armv9-A，实现所有异常级别，并在所有异常级别上使用AArch64
  该文档不包含：
• Lagacy operation
• 使用异常级别在AArch32中

3 What is a Generic Interrupt Controller

通用中断控制器（GIC）从外设中获取中断，对它们进行优先排序，并将它们传递到适当的处理器core。下图显示了一个GIC从n个不同的外设获取中断，并将它们分发到两个不同的处理器。

GIC是Arm Cortex-A和Arm Cortex-R配置文件处理器的标准中断控制器。GIC提供了一种灵活和可扩展的方法来中断管理，支持具有单核的系统到具有数百个核的大型多芯片设计。

3.1 A brief history of the Arm CoreLink GIC

与Arm架构一样，GIC架构也随着时间的推移而发展。下表总结了GIC规范的主要版本以及它们通常一起使用的处理器。

本文章涵盖了大多数Armv9-A、Armv8-A和Armv8-R设计中使用的Arm CoreLink GICv3和GICv4。
自发布后，GICv3和GICv4也有一些小的更新。

• GICv3.1增加了支持额外的有线中断、安全虚拟化和内存系统资源分区和监控（MPAM）
• GICv3.2增加了对Armv8-R AArch64的支持
• GICv3.3增加了对不可屏蔽中断的支持。
• GICv4.1扩展了虚拟化支持，以覆盖虚拟软件生成的中断（SGIs）的直接注入
• GICv4.2增加了对直接注入不可掩蔽的虚拟中断的支持

GICv2m是对GICv2的一个扩展，用于添加对消息信号中断的支持。

4 Arm GIC fundamentals

在本节中，我们将介绍Arm GICv3和v4中断控制器的基本操作。

4.1 Interrupt types

GIC可以处理四种不同类型的中断源：

• 共享外设中断（Shared Peripheral Interrupt, SPI）。可传输到任何已连接的core的外围设备中断。
• 私有外设中断（Private Peripheral Interrupt, PPI）。对一个core私有的外围中断。PPI的一个例子是来自通用定时器(Generic Timer)的中断。
• 软件生成中断（Software Generated Interrupt, SGI）。SGI通常用于处理器间的通信，并通过对GIC中的SGI寄存器的写入来生成。
• 特定外设中断（Locality-specific Peripheral Interrupt, LPI）。LPI首先在GICv3中引入，它与其他三种类型的中断有一个非常不同的编程模型。

LPI配置详见：Locality-Specific Peripheral Interrupts Arm Generic Interrupt Controller v3 and v4
每个中断源都由一个ID号标识，被称为INTID。前面列表中介绍的中断类型是根据中断的范围定义的：

4.1.1 Special interrupt number

GIC体系结构为特殊目的保留的中断号如下：

• 1020：GIC响应于在EL3上的ICC_IAR0_EL1或ICC_HPPIR0_EL1的读取而返回此值，以表示被确认的中断是预期将在Secure EL1或Secure EL2上处理的中断。只有当PE在EL3上使用AArch64状态执行时，或者当PE在监视器模式（Monitor mode）下以AArch32状态执行时，才会返回此INTID。
  当ICC_CTLR_EL3.RM == 1时，也可以在EL3处读取ICC_IAR1_EL1或ICC_HPPIR1_EL1返回这个值
• 1021: GIC响应于在EL3上的ICC_IAR0_EL1或ICC_HPPIR0_EL1的读取返回这个值，以表示被确认的中断是预期在Non-secure EL1或EL2上处理的中断。只有当PE在EL3上使用AArch64状态执行时，或者当PE在监视器模式（Monitor mode）下以AArch32状态执行时，才会返回此INTID。
  当ICC_CTLR_EL3.RM == 1时，也可以在EL3的ICC_IAR1_EL1或 ICC_HPPIR1_EL1读取返回这个值
• 1022：在GICv3.3中，当SCLTR_ELx.NMI设置为1，GIC响应ICC_IAR1_EL1返回这个值，以表示被确认的中断是NMI。
• 1023：对于发送给PE的中断信号，如果该中断信号没有足够优先级，或者最高优先级中断（Pending状态）对于当前的Security state或者与系统寄存器器关联的中断分组不适配，则响应中断返回此值。

4.1.2 How interrupts are signaled to the interrupt controller

传统上，系统使用专用硬件信号从外围设备到中断控制器发出中断信号，如下图所示：

Arm CoreLink GICv3支持这个模型，但也提供了一个额外的信号机制：消息信号中断（message-signaled interrupts，MSI）。MSI通过写入传输到中断控制器中的一个寄存器，如下图所示：

使用消息将中断从外围设备转发到中断控制器，消除了对每个中断源的专用信号的要求。这对于大型系统的设计者来说可能是一个优势，在那里，数百甚至数千个信号可能通过SoC路由并收敛到中断控制器上。
无论中断是作为消息发送的，还是使用专用信号，对中断处理代码处理都没有什么影响。可能需要一些外设的配置。例如，可能需要指定中断控制器的地址。
在Arm CoreLink GICv3中，SPI可以是发出消息信号的中断。LPI总是具有消息信号的中断。不同的中断类型用于不同的寄存器，如下表所示：

4.1.3 Interrupt state machine

中断控制器为每个SPI、PPI和SGI中断源维护一个状态机。此状态机包括以下四种状态：

• Inactive：当前并未断言（asserted）该中断源。
• Pending：中断源已被断言，但该中断尚未被PE响应（acknowledged）。
• Active：该中断源已被断言，并且该中断已被一个PE响应。
• Active and Pending：一个中断被PE认可，另外一个中断处于Pending状态(注意：这两个中断都是同一个编号)。
  状态机状态如下图所示：
  

中断的生命周期取决于它是被配置为电平敏感还是边缘触发：

• 对于电平敏感中断，中断输入的上升边缘，中断变为Pending状态，中断会一直断言（asserted）直到外围设备取消断言(de-asserts)中断信号。
• 对于边缘敏感中断，中断输入上的上升边缘会导致中断变为Pending状态，但中断不会断言。

4.1.4 Level sensitive and Edge-triggered

4.1.4.1 Level sensitive

• Inactive to Pending: 中断源置起，此时 GIC 置起中断信号到 PE（前提是：中断被使能并且具有足够的优先级）
• Pending to Active & Pending: PE 认可中断（读IAR寄存器），GIC 置低到PE的中断信号当PE读取CPU接口（CPU interface）中的一个中断确认寄存器（Interrupt Acknowledge Registers，IAR）来确认中断时，中断从Pending状态转换为Pending to Active状态。此读取通常是在发生中断异常后执行的中断处理例程的一部分。此时，GIC取消断言(de-asserts)中断信号。
• Active and Pending to Active: 外设置低中断信号(清中断)
• Active to Inactive: PE 完成中断处理（PE写入CPU接口中的中断结束寄存器（End of Interrupt Registers，EOIR））

4.1.4.2 Edge-triggered

Inactive to Pending: 中断源置起，此时 GIC 置起中断信号到 PE（前提是中断使能并且优先级够）
Pending to Active: PE 认可中断（读IAR寄存器），中断从Pending状态转换为Active状态。此读取通常是在发生中断异常后执行的中断处理例程的一部分。然而，软件也可以轮询IAR。此时，此时，GIC取消断言(de-asserts)中断信号。
Active to Active and Pending: 外设再次置起中断信号
Active and Pending to Pending: PE完成上一个中断处理（CPU interface写EOIR寄存器），GIC再次置起中断信号到PE。

4.1.5 nterrupt signaling in the GIC-400 with physical interrupts only

下图显示了GIC-400如何处理两个具有不同优先级的物理中断。在本示例中为中断N和M（M优先级低于N）：

• 都是Level sensitive
• 都是SPI，使用active-HIGI IRQS输入
• 同样的目标PE(PE = CPU)
• 被配置为Group 0，并且目标CPU interface的GICC_CTLR设置了FIQEn位，因此它们被作为FIQs的信号发送给该CPU。
  

下面开始解释该图：

• T1：Distributor检测到Group 0中断M的断言
• T2：Distributor设置中断M Pending
• T17：CPU interface断言nFIQCPU[n]
  在中断M pending的几个周期后，nFIQCPU[n]断言，在中断M之后发生一些。在图中，物理接口上的延迟是tph = 15个时钟周期。

Distributor需要几个周期来计算未决中断的最高优先级。如果在计算进行时中断，它只会影响下一次计算的结果。这意味着中断延迟可能会发生变化。因此，虽然tph通常是12个周期，但它通常可能在10到20个周期之间。

• T42：Distributor检测到更高优先级Group 0中断N的断言
• T43：Distributor用中断N替换中断M，作为待决中断的最高优先级，并将N设置为待定。
• T58：tph时钟周期后，中断N变成Pending，CPU interface断言nFIQCPU[n]。nFIQCPU[n]的状态没有变化，因为nFIQCPU[n]是在T17处断言的
  CPU interface更新GICC_IAR中的中断ID字段，以包含中断N的ID值
• T61：处理器读取GICC_IAR，确认最高优先级的等待中断N
• T61-T131：处理服务中断N
  • T64：在确认中断N后的3个时钟周期后，CPU interface取消断言nFIQCPU[n]
  • T126：外设取消断言会中断N
  • T128：Pending状态状态从N中移除
  • T131：处理器写入中断寄存器结束寄存器（End of Interrupt Register，GICC_EOIR），其ID为中断N，Distributor deactives中断N
• T146：在GICC_EOIR写入N后的tph时钟周期，Distributor将新的最高优先级待决中断M转发到CPU interface，该接口断言nFIQCPU[n]
• T211：处理器读取GICC_IAR，响应最高优先级的待定中断M，并且Distributor将中断M设置为Active and Pending
• T214：在响应中断M后的3个时钟周期后，CPU interface取消断言nFIQCPU[n]。

上图中的时间仅供说明。它们是典型的值，不能得到保证，也不能被依赖。

4.1.6 Target interupts（Affinity routing）

Arm架构为每个PE分配了一个称为亲和性(Affinity)的层次结构标识符。GIC使用亲和性值（Affinity values）来定位特定core上的中断。
Affinity是一个32位的值，它被分为四个字段：

<affinity level 3>.<affinity level 2>.<affinity level 1>.<affinity level 0>

下图显示了一个Affinity级别层次结构的示例。

在Affinity级别0处，有一个重新分配器（Redistributor）。每个Redistributor都连接到单个CPU interface。Redistributor控制SGI、PPI和LPI。
Affinity方案在ARMv8-A中，每个PE的affinity存储在MPIDR_EL1寄存器中。系统设计人员必须确保MPIDR_EL1指示的Affinity value与连接到PE的Redistributor中的GICR_TYPER寄存器指示的Affinity value相同。
不同Affinity级别的确切含义是由特定的处理器和SoC来定义的。例子如下：

<group of groups>. <group of processors>.<processor>.<core>
<group of processors>.<processor>.<core>.<thread>

所有可能的节点都不太可能存在于单个实现中。例如，移动设备的SoC可以有类似的布局：

0.0.0.[0:3] Cores 0 to 3 of a Cortex-A53 processor
0.0.1.[0:1] Cores 0 to 1 of a Cortex-A57 processor

在ARMv8-A中，AArch64支持4层Affinity路由。但是AArch32和ARMv7只支持3层中断路由（0, x, y, z）。GICD_TYPER.A3V表示中断控制器是否支持level 3。为1表示支持Level 3。
尽管level 0理论最大可以支持256个PE，但是实际上最大可支持16个或者更少。因为PE要适应SGI的编码。

4.1.7 Security model

1. AArch64

Arm GICv3架构支持Arm TrustZone技术。每个INTID必须由软件分配一个组(group)和安全(security)设置。GICv3支持三种设置组合，如下表所示：

Group 0的中断总是被标记为FIQ。group 1的中断被标记为IRQ或FIQ，这取决于PE的当前安全状态和异常级别，您可以在这里看到：

Group0/EL3总是FIQ，Seure切换(Secure到Non-secure，Non-secure到Secure)为FIQ

这些规则旨在补充AArch64安全状态和异常级路由控制。下图显示了一个简化的软件堆栈，以及当在EL0执行时发出不同类型的中断信号时会发生什么：

在本例中，IRQ被路由到EL1 (SCR_EL3.IRQ0)和FIQ路由到EL3 (SCR_EL3.FIQ1) .考虑到上述规则，当在EL1或EL0处执行时，针对当前安全状态的Group 1中断被视为IRQ。

控制PE状态切换其实由三个因素决定：

1. 中断产生的时候中断类型，中断类型的意思是中断期望在哪一个状态下得到处理。如上图左上角Non-secure Group1,表示该中断希望在Non-secure的状态下得到处理。Secure Group1,表示该中断希望在Secure状态下得到处理（这里特指Secure EL1状态下得到处理）。Group0表示表示该中断希望在EL3状态下得到处理。
   2.目前PE所处的状态，是在Non-secure还是Secure状态下或者是EL3状态
   3.SCR寄存器中FIQ和IRQ位，这两位分别控制中断发出来的行为。如果FIQ等于1，表示不管发出来是什么，直接切换到EL3。如果FIQ等于0，那么如果发出来的中断是FIQ，那么会去找一个最适合处于该请求的状态，然后再切换到该状态下。同理IRQ也是一样的，如果发出来是IRQ（如左上角第一个信号），如果SCR_EL3.IRQ等于1，则只要发出请求是IRQ，直接切换到EL3处理。如果SCR_EL3.IRQ等于0，则会去找一个最适合处于该请求的状态，然后再切换到该状态下进行处理。

现在，分析该图：
◦ 左上角Non-secure Group1:该中断希望自己在Non-secure状态下得到处理，并且现在PE处于Non-secure状态。按照之前理论，不需要EL3介入。因此IRQ中断发出来之后，由于SCR_EL3.IRQ等于0，PE会找一个可以对IRQ进行处理的状态，然后切换到该状态。显然，因为PE是Non-secure状态，在Rich OS kernel的状态下就可以对该状态处理。（如果SCR_EL3.IRQ等于1，直接切换到EL3处理。）

• 左上角Secure Group1:该中断希望自己在Secure状态下得到处理，并且现在PE处于Non-secure状态。显然，此时需要EL3介入处理，将PE从Non-secure切换到Secure，然后在对Secure Group1进行处理。所以由于EL3介入，信号首先要发FIQ，查看SCR_EL3.FIQ等于1，此时，直接切换到EL3（Secure Monitor状态下）进行执行，然后找到FIQ中断处理Vector，由它完成状态的切换，切到Secure状态下，在Trusted OS下处理（左上角）Secure Group1的中断源，处理完以后再原路返回。如果SCR_EL3.FIQ等于0，当然此场景下不能设为SCR_EL3等于0，让该信号在Rich OS状态下执行（即让Secure状态中断在Non-secure状态下执行）。这是一个无效的中断路由模型。
• 左上角Group0:该中断希望自己在EL3状态下得到处理，显然发出来就是FIQ，在EL3下处理之后返回即可。
• 右上角Secure Group1:该中断希望自己在Secure状态下得到处理，并且现在PE处于Secure状态。按照之前理论，不需要EL3介入。因此IRQ中断发出来之后，由于SCR_EL3.IRQ等于0，PE会找一个可以对IRQ进行处理的状态，然后切换到该状态。显然，因为PE是Non-secure状态，在Rich OS kernel的状态下就可以对该状态处理。（如果SCR_EL3.IRQ等于1，直接切换到EL3处理。）
• 右上角Non-secure Group1:该中断希望自己在Non-secure状态下得到处理，并且现在PE处于Secure状态。显然，此时需要EL3介入处理，将PE从Secure切换到Non-secure，然后在对Non-secure Group1进行处理。所以由于EL3介入，信号首先要发FIQ，查看SCR_EL3.FIQ等于1，此时，直接切换到EL3（Secure Monitor状态下）进行执行，然后找到FIQ中断处理Vector，由它完成状态的切换，切到Non-secure状态下，在Rish OS下处理（右上角）Secure Group1的中断源，处理完以后再原路返回。
• 右上角Group0:该中断希望自己在EL3状态下得到处理，显然发出来就是FIQ，在EL3下处理之后返回即可。

2. AArch32
   3. Single Security
   在未实现EL3的系统或当GICD_CTLR.DS == 1时，仅支持单一安全状态的系统中的中断信令
   

4.1.8 Impact on software

当实现Armv9-A领域管理扩展(Realm Management Extensions, RME)时，GIC将领域状态视为Non-secure state的扩展。

在配置中断控制器时，软件控制对中断组(interrupt groups)的分配。只有在安全状态(Secure state)下执行的软件才能分配INTIDs来中断组。
通常，只有在安全状态下(Secure state)执行的软件才应该能够访问安全中断(Secure interrupts)的设置和状态：Group 0和Secure Group 1。
也可以使能从非安全状态到安全中断设置和状态的访问。这使用GICD_NSACRn和GICR_NSACR寄存器对每个INTID进行单独控制。

LPIs总是被视为Non-secure Group 1中断

4.1.9 Support for single Security state

GICv3支持Arm TrustZone技术，但使用TrustZone是可选的。这意味着您配置为一个安全状态或两个安全状态：

• GICD_CTLR.DS == 0 ：Secure and Non-secure都支持。
• GICD_CTLR.DS == 1：只支持一个安全状态。这可以是安全状态或非安全状态。
  将GIC配置为使用与附加的PEs相同数量的安全状态。通常，这意味着当连接到Arm Coretx-A配置文件处理器时，GIC将支持两种安全状态，当连接到ArmCoretx-R配置文件处理器时，GIC将支持一种安全状态。

4.1.10 Programmer’s model

GICv3中断控制器的寄存器接口可分为三组：

• Distributor interface
• Redistributor interface
• CPU interface
  通常，Distributor和Redistributor 用于配置中断，而CPU接口用于处理中断。
  

4.1.10.1 Distributor(GICD_*)

Distributor寄存器为Memory-mapped。并且包括了全局设置：影响所有的PE。Distributor提供了以下编程接口：
◦ Interrupt prioritization and distribution of SPIs.SPI中断优先级和分发
◦ Enabling and disabling SPIs.
◦ Setting the priority level of each SPI.
◦ Routing information for each SPI.(与GICR最大差别)
◦ Setting each SPI to be level-sensitive or edge-triggered.
◦ Generating message-based SPIs.
◦ Controlling the active and pending state of SPIs.
◦ Controls to determine the programmers’model that is used in each Security state (affinity routing or legacy).设置GIC为GICv2还是GICv3（ARE）

4.1.10.2 Redistributors(GICR_*)

每个Redistributor连接一个PE。Redistributors提供了以下编程接口：
◦ Enabling and disabling SGIs and PPIs.
◦ Setting the priority level of SGIs and PPIs.
◦ Setting each PPI to be level-sensitive or edge-triggered. SGI默认为边缘触发
◦ Assigning each SGI and PPI to an interrupt group. group: group0, security group1, non-security group1
◦ Controlling the state of SGIs and PPIs.
◦ Base address control for the data structures in memory that support the associated interrupt properties and pending state for LPIs.控制内存中支持相关中断属性和LPI的挂起状态的数据结构的基本地址
◦ Power management support for the connected PE

4.1.10.3 CPU interface(ICC_*_ELn)

每个Redistributor连接一个CPU interface。CPU interface提供了以下编程接口：
◦ General control and configuration to enable interrupt handling.
◦ Acknowledging（应答） an interrupt.
◦ Performing（执行） a priority drop（恢复） and deactivation（下拉） of interrupts.
◦ Setting an interrupt priority mask for the PE.
◦ Defining the preemption policy（抢占策略） for the PE.
◦ Determining the highest priority pending interrupt for the PE.
GICv3中CPU interface register是以System registers(ICC_*_ELn)访问。

在使用这些寄存器前，软件必须使能 System register interface. ICC_SRE_ELn.SRE ==1 ,n表示Exception Level(EL1-EL3)

GICv1和GICv2中CPU interface register是以memory mapped(GICC_*)访问。
对于PE而言，可以通过读取ID_AA64PFR0_EL1来判定是否支持GIC system register

5 Configuring the Arm GIC

该节讲述SPI，PPI和SGI配置。

5.1 Global setting

打开Distributor control register(GICD_CTLR)中断组（interrupt groups）和路由模型（routing mode）

• Enable Affinity routing(ARE bits)
  • GICD_CTLR.ARE == 1: GICv3
  • GICD_CTLR.ARE == 0: GICv2

Secure和Non-Secure模式下都可以设置

• Enable
  GICD_CTLR可以独立使能Group0, Secure Group1 和 Non-secure Group1
  • GICD_CTLR.EnableGrp1S使能Secure Group1 interrupts Distributor
  • GICD_CTLR.EnableGrp1NS使能Non-Secure Group1 interrupts Distributor
  • GICD_CTLR.EnableGrp0使能Group0 interrupts Distributor

5.2 Settings for each PE

5.2.1 Redistributor configuration

每个core都有自己的Redistributor，如下图所示

Redistributor包含一个名为GICR_WAKER的寄存器，它用于记录所连接的PE是online/wake-up还是offline/sleeping。中断只被转发到GIC认为是在线的PE。
reset时，Redistributor认为连接PE是睡眠模式（sleeping）。需要使用GICR_WAKER寄存器唤醒（Wake-up）

• GICR_WAKER.ProcessorSleep = 0
• while(!GICR_WAKER.ChildrenAsleep)

软件在配置CPU接口之前执行上述步骤是很重要的，否则行为可能是不可预测的。

写CPU interface寄存器时，除了ICC_SRE_ELn（4.1.10.3节）。当GICR_WAKER.ProcessorSleep == 1或者GICR_WAKER.ChildrenAsleep == 1时，会导致不可预知情况发生。
当PE离线时(GICR_WAKER.ProcessorSleep ==1)，一个针对PE的中断将导致一个唤醒请求信号被断言。通常，这个信号将转到系统的电源控制器。然后，电源控制器打开PE。在醒来时，该PE上的软件会清除进程或睡眠位，允许唤醒PE的中断被转发。

5.2.2 CPU interface configuration

CPU接口负责传递中断到连接的PE。若要启用CPU接口，软件必须配置以下内容

• Enable System register access(使能寄存器访问方式)
  • 在GICv3中，使能ICC_SRE_ELn.SRE

许多最近的Arm Cortex处理器不支持之前版本操作，并且SRE位被固定下来。在这些处理器上，可以跳过此步骤。

• Set priority mask and binary point registers
  CPU interface包含了priority mask寄存器（ICC_PMR_EL1）和binary point寄存器（ICC_BPRn_EL1）
  • priority mask寄存器：设置最小优先级，即如果该中断想要被PE识别，则优先级要大于该最小优先级
  • binary point寄存器：中断优先级分组和抢占
• Set EOI mode
  在CPU interface控制器中有ICC_CTRL_EL1和ICC_CTRL_EL3寄存器中含有EOImode bits。用于控制中断处理是怎么完成的。

这里会在End of interrupt章节描述

• Enable signaling of each interrupt group(使能每个中断组信号)
  当中断组由CPU interface进入PE时，每个中断组信号必须被使能
  • ICC_IGRPEN1_EL1: Group1 interrupts
  • ICC_IGRPEN0_EL1: Group0 interrupts
    ICC_IGRPEN1_EL1在不同的状态下对应不同的寄存器。Security状态下，ICC_IGRPEN1_EL1控制Group1当前Security状态。在EL3状态下，软件可以通过ICC_IGRPEN1_EL3访问Security Group 1中断使能和Non-Secure Group 1中断使能

5.2.3 PE configuration

一些PE的配置也需要允许接收和处理中断。这里只描述在AArch64状态下，ARMv8-A兼容的PE执行的基本步骤

• Rounting controls(路由控制)

可以采用PE的SCR_EL3和HCR_EL2控制中断路由。路由控制位决定了该中断在哪个Exception Level中处理。这些寄存器的路由位（routing bits）必须采用软件初始化，因为在reset状态下处于Unknown值

• Interrupt masks

PE在PSTATE也有异常屏蔽位。当设置这些位，中断会被屏蔽。当reset时，这些位会被设置，也就是说不响应外部中断

• Vector table

通过设置VBAR_ELn寄存器设置PE的Vector table位置。
在reset时，SCR_EL3和HCR_EL2，VBAR_ELn寄存器也是处于UNKNOWN值。需要通过软件设置VBAR_ELn寄存器指向memory中的合适Vector tables
PE要去处理一个中断，首先要开打路由控制，然后打开中断响应，最后准备好Vector table。通过Vector table进行中断处理。

5.3 SPI, PPI and SGI configuration

到目前为止，我们已经研究了配置中断控制器本身。现在，我们将讨论各个中断源的配置。

• SPI的配置可以通过Distributor(GICD_* registers)。
• PPI和SGI的配置可以通过各个Redisrtibutors (GICR_* registers)。
  这些不同的配置机制如下图所示：
  

对于任意一个INTID，软件必须配置以下信息：

• Priority (GICD_IPRIORITYn SPI, GICR_IPRIORTYn PPI SGI)

每个INTID都有相应的优先级，使用8-bit unsigned value表示。0x00表示最高优先级，0xff表示最低优先级。GICD_IPRIORITYn 和GICR_IPRIORTYn 的设置描述了怎样屏蔽低优先级和控制抢占
实际上，中断控制器不需要将8bit用满。如果GIC支持两种Security状态（GICD_CTLR.DS==0），则最少需要5bit表示优先级。如果GIC支持一种Security状态，则最少需要4bit表示优先级。

• Group(GICD_IGROUPn, GICD_IGRPMODn, GICR_IGROUP0, GICR_IGRPMOD0)

中断分组：GROUP0，Secure Group1 和 Non-secure Group1

• Edge-triggered/level-sensitive(GICD_ICFGRn, GICR_ICFGRn)
  如果该中断是物理信号，那么它必须被配置为边沿触发还是电平触发。
  • SGI总是边沿触发，因此，GICR_ICFGR0读为1，写忽略
• Enable(GICD_ISENABLERn, GICD_ICENABLER, GICR_ISENABLER0, GICR_ICENABLER0)

每个INTID都有这样的使能位。Set-enable寄存器和Clear-enable寄存器。

这里如果只采用一个寄存器就会涉及到read-modify-write，会影响到其他位的中断

• Non-maskable
  中断可以配置为不可屏蔽，这样被视为比属于同一组的所有其他中断更高的优先级。也就是说，不可屏蔽的Non-secure Group1中断被视为比其他所有Non-secure Group1中断更高的优先级。
  • 不可屏蔽属性在GICv3.3中添加，需要在PE中进行匹配支持。
  • 只有Secure Group1和Non-secure Group1的中断可以被标记为不可屏蔽。

对于bare metal(裸机)环境，在初始配置后通常无需更改设置。但是，如果必须重新配置一个中断，例如要更改Group设置，则应首先disable该中断，然后再更改其配置。
大多数配置寄存器的重置值都由定义实现（IMPLEMENTATION DEFINED）。这意味着中断控制器的设计者决定值是什么，并且值可能在系统之间有所不同。

5.4 Arm GICv3.1 and the extended INTID ranges

Arm GICv3.1增加了对extended SPI和PPI INTIDs的支持。配置这些中断的寄存器与原来的中断范围相同，只是它们有一个E后缀。例如：

• GICR_ISENABLERn：使能原始PPI范围
• GICR_ISENABLERnE：使能增加PPI范围（GICv3.1）

5.5 Setting the target PE for SPIs

对于SPI，其中断的目标必须通过GICD_IROUTERn寄存器额外配置。每个SPI都有一个GICD_IROUTERn寄存器，并且由Interrupt_Routing_Mode位来控制路由策略。

• GICD_IROUTERn.Interrupt_Routing_Mode == 0
  • SPI会被传递到A.B.C.D PE，指定的寄存器
• GICD_IROUTERn.Interrupt_Routing_Mode == 1
  • SPI可以传递给任意连接的PE。由Distributor选择目标PE，并且每次中断触发都可能会选择不同的PE
  • 这种类型的路由被称为 1-of-N

每个PE都有对应的Redistributor。每个Redistributor都有GICR_CTLR寄存器。如果一个PE不想接受1-of-N中断类型，那么可以通过GICR_CTLR中的DPG1S，DPG1NS和DPG0位设置

6 Handing interrupts

本节描述中断发生时发生的事情：中断如何路由到PE，中断如何相互优先排序，以及在中断结束时发生了什么。

6.1 Routing a pending interrupt to a PE

在4.1.3 Interrupt state machine章节描述了在断言中断源时，中断如何从inactive状态过渡到pending状态。当中断处于pending状态时，中断控制器根据以下条件决定将中断发送到已连接的PE之一。
当一个中断变成Pending时，中断控制器决定是否要发送中断到连接的PE上。一个PE是否被中断控制器选中，依赖于以下条件：

• Group Enables
  INTID被分配到组（Group0, Secure Group1 or Non-Secure Group 1）。对于每个组，在Distributor和CPU Interface里面都有Group bit。如果一个中断的组被关闭，那么它就不能被分配给PE
• Interrupt Enables
  每个中断都可以打开和关闭，如果关闭了，该中断不会被传递到PE
• Routing Controls
  中断控制器决定了哪一个PE可以接收中断
  • 对于SPI：由GICD_IROUTRn控制。SPI可以以特定的PE为目标，或者是所有PE中的任意一个
  • 对于LPI：如果ITS实现，那么LPI的路由信息来自ITS
  • 对于PPI：PPI属于特定的PE，它的处理只能由该PE处理（不需要路由）
  • 对于SGI：原始PE定义了目标PE（进一步描述在第七章 Sending and receiving Software Generated Interrupts章节）
• Interrupt Priority & Priority Mask
  每个PE在它的CPU interface都有Priority Mask寄存器(ICC_PMR_EL1)。该寄存器定义了中断可以被传递到PE的最小优先级。该中断的优先级只有高于该寄存器值才可被PE识别。
• Runing Priority
  如果PE没有在处理中断，那么该优先级为idle priority(0xFF)。只有当一个中断比现在正在运行中断的优先级更高，才能发生抢占。

6.2 Taking an interrupt

当进入异常处理程序时，软件不知道发生了哪个中断。处理程序必须读取其中一个中断确认寄存器（Interrupt Acknowledge Registers，IARs），以获得中断的INTID。
CPU interface有两个IAR寄存器。读取该IAR寄存器就会返回INTID。GIC会自动推进中断状态机：由Pending变成active。在一个典型的中断处理任务里，第一步就是去读IAR中断状态寄存器中的值。然而，软件可以在任何时候读取寄存器的值。

有时，IAR不能返回一个有效的INTID。例如，软件读取ICC_IAR0_EL1，应答 Group 0中断，但Pending的中断Group于Group 1。在这种情况下，读取返回其中一个reserved INTIDs，如下表所示：

当读取IAR，如果存在上述中断，则不承认存在中断。

6.2.1 Example of interrupt handing

一个手机系统有一个modem(调制解调器)中断信号，该信号希望在Rich OS(linux系统)Non-secure状态下得到处理

Rich OS: Linux
Trusted OS:OPTE
Secure Monitor:TFA(以前叫ATF)

1. PE正在Secure EL1模式下执行Trusred OS，此时来了一个modem interrupt变成Pending状态。并且modem interrupt被配置成Non-secure Group1。此时会发送一个FIQ给PE。SCR_EL3.FIQ==1，异常被切换到EL3
2. Secure Monitor在EL3模式下读取IAR0，返回1021。1021表示该中断希望在Non-secure状态下执行。Secure Monitor执行中断上下文必要的切换（Secure—>Non-secure）
3. PE处于Non-secure状态，中断又被以IRQ的方式发送给PE（SCR_EL3.IRQ = 0）

其实FIQ和IRQ本质上在ARMv8架构下已经没有区别了，只不过是软件上人为的分开当作两种不同的应用场景使用。以前ARMv7架构下，FIQ和IRQ是两种不同的执行模式，FIQ有自己的寄存器，可以直接拿来用，但是如果是在IRQ下，有些寄存器不能用，因为已经被其他的任务再用。如果直接拿来用会把别人的数据覆盖掉。所以在IRQ模式下，需要先把别人的状态先保存，然后再去用，用完再恢复。但是在ARMv8架构下，已经没有FIQ，IRQ的执行模式了，只有异常等级（Exception Level）。FIQ没有自己专有的寄存器，Fast便体现不出来，但是F可以理解为Forward

上图展示了，Non-secure Group1中断直接从EL1（Trusted OS）切换到EL3。但是该行为可能不是想要的。下图展示了中断最初在Secure EL1

不同点：

1. SCR_EL3.FIQ = 0，EL1不是直接切换到EL3而是先自查，然后通过SMC切换到EL3
2. SCR_EL3.FIQ = 1，切换到EL3的时候，SCR_EL3.FIQ 自动切换为1，这样是为了防止此时有Secure Group1中断进来，系统无法从Non-Secure切换到Secure状态下

6.3 Runing priority and preemption

running priority: CPU不处理中断时，running priority表示最低优先级的数值0xff，当PE响应某个中断后，该CPU的running priority表示该中断源的优先级。
PMR用于设置一个中断能够传递到PE的最小优先级。当PE响应到一个中断，则该中断会被赋值到running priority这个寄存器。如果PE向EOI寄存器写值，running priority会恢复到写入之前的值。

running priority被存储在CPU interface的running priority寄存器里（ICC_RPR_EL1）
running priority的概念在抢占的时候比较重要。抢占只有在高优先级向正在处理低优先级的PE发送时候会发生。抢占引入了一些软件的额外复杂性，但是它能阻止低优先级的中断阻塞高优先级中断的处理。

PE去读IAR寄存器导致编码状态数据的变化。那PE什么时候会去读IAR寄存器，很显然，只有PE能看到Pending的状态并且能响应外部中断。这样它才能跳到中断处理函数里，然后才来读IAR寄存器。然后如果PE自动去响应中断，然后跳到中断向量表的过程中，处理器自动把中断响应位关闭。也就是说，在中断处理函数里，还要想要对外部中断进行响应，软件上需要打开该位（中断）操作。PSTAT里I那位要软件清零。在linux看来，不会出现该情况，因此不会去清零。

上图展现了一级抢占。然而，抢占有多级，在一些情况下，有些抢占并不是想要的或者不是必须的。GICv3在抢占的时候允许通过Binary Point register(ICC_BRRn_EL1)定义优先级。Binary Point寄存器将优先级分为两个字段，组优先级和子优先级，如下图所示：

• ICC_BRRn_EL1 = N
  • 7:N Group
  • N-1:0 Subpriority

对于抢占来说，只有Group优先级是被考虑的，Subpriority是被忽略的。例如以下三个中断：

在该场景中，A可以抢占B和C，B不能抢占C，因为B和C有相同的优先级。为了实现该目标，可以设置N=4

抢占要求中断处理支持中断嵌套

6.4 End of interrupt

当中断被处理完，需要软件通知中断控制器任务已被处理完，让状态机切换到下一个状态。
GICv3将该事件分为两个任务

• Priority Drop
  需要将running priority恢复到中断发生之前的那个值。
• Deactivation
  更新中断状态机状态。典型地，从Active state到Inactive state。
  在GICv3架构中，Priority Drop和Deactivation可以同时发生，也可以单独发生。由ICC_CTRL_ELn.EOImode设置
  • EOImode = 0
    如果是Group0 interrupts，写ICC_EOIR0_EL1；如果是Group1 interrupts，写ICC_EOIR1_EL1。中断控制器将Priority Drop和Deactivation两件事一起做。该模式通常用在bare metal(裸机)环境下
  • EOImode = 1
    如果是Group0 interrupts，写ICC_EOIR0_EL1；如果是Group1 interrupts，写ICC_EOIR1_EL1。中断控制器处理Priority Drop。然后再写ICC_DIR_EL1寄存器处理Deactivation。该模式通常用在virtualization环境下

大多数软件将使用EOIMode0。EOImode1最常被管理程序(hypervisors)使用。

当写这些寄存器，软件必须写INTID。

6.5 Checking the current state of the system

6.5.1 Highest priority pending interrupt and running priority

正如它们的名称所示，最高优先级等待中断(Highest Priority Pending Interrupt)寄存器ICC_HPPIR0_EL1和ICC_HPPIR1_EL1报告了一个PE的最高优先级等待中断的INTID。
运行优先级在6.3 Runing priority and preemption节已介绍，并由运行优先级寄存器（ICC_RPR_EL1）报告。

6.5.2 State of individual INTIDs

Distributor指示了每个SPI的当前状态的寄存器。同理，Redistributors提供了PPIs和SGIs的状态的寄存器。
这些寄存器提供了将一个中断改变为一个特定的中断。如果在没有一个外设assert一个中断时，测试一个配置是否正确。这会变得非常有用。
这些寄存器可以分为active state和pending state。下表列出了active state。pending state具有相同的格式：

当affinity routing打开时，GICD_ISACTIVER0和GICD_ICACTIVER0的结果将被视作RES0（reserved）。这是因为GICD_ISACTIVER0和GICD_ICACTIVER0表示INTIDs 0到31，属于SGI和PPI

软件执行在Non-secure状态下，是看不到Group0和Secure Group1的中断。除非通过GICD_NASCRn或者GICR_NASCRn

7 Sending and receiving Software Generated Interrupts

软件生成中断（Software Generated Interrupts ，SGIs）是软件通过写入中断控制器中的一个寄存器来触发的中断。
生成SGI：SGI是通过写入CPU接口中的以下SGI寄存器之一而生成的：

您可以在下图中看到SGI寄存器的基本格式：

7.1 Controlling the SGI ID

SGI ID字段控制生成的INTID。如Interrupt types章节中所述，INTIDs 0-15用于SGIs。

7.2 Controlling the target

SGI寄存器中的中断路由模式（Interrupt Routing Mode，IRM）字段控制一个SGI被发送到哪个PE或哪些PEs。有两个选项：

• IRM == 0
  中断被发送到...<目标列表>，其中<目标列表>被编码为下的每个关联0节点的1位。这意味着中断最多可以发送到16个PE，这可能包括原始PE（原始的意思就是它自己）。
• IRM == 1
  中断被发送到所有连接的PE，除了原始PE。

7.3 Controlling the Security state and grouping

SGIs的安全状态(Security state)和分组(Group)由：

• 由原始PE上的SGI寄存器ICC_SGI0R_EL1、ICC_SGI1R_EL1或ICC_ASGIR_EL1。
• 目标PE或PEs的GICR_IGROUPR0和GICR_IGRPMODR0寄存器。
  在Secure state下执行的软件可以同时发送Secure和Non-secure的SGIs。在Non-secure state下执行的软件是否可以生成Secure SGIs，这将由GICR_NSACR来控制。
  该寄存器只能由处于Secure state的软件访问。下表显示了GIC通过检查来确定是否转发了一个中断：
• 原始PE的Secure state
• 中断所针对的PE的中断处理配置
• SGI寄存器
  

此表假设为GICD_CTLR.DS0.当GICD_CTLR.DS1，标记为（*）的SGIs也会被转发。

7.4 Comparison of GICv3 and GICv2

在GICv2中，SGI INIIDs由原始PE和目标PE存储。这意味着一个给定的PE可以有相同的SGI INTID，pending最多8次。
在GICv3组中，SGIs只由目标PE存储。这意味着给定的PE只能有一个pending的SGI INTID。
例如，PEs A和B同时将SGI INTID 5发送到PE C，如下图所示：

C将收到多少个中断？

• 对于GICv2：两个中断
  GIC将同时接收来自A和b的中断。这两个中断的顺序取决于单独的设计和精确的时间。这两个中断可以通过原始PE的ID的前缀为GICC_IAR返回的INTID来区分。
• 对于GICv3：一个中断
  因为原始PE不存储SGI，所以不能对两个PE进行相同的中断处理。因此，C只接收一个中断，ID为5，没有前缀。
  该示例假设这两个中断是同时或几乎同时发送。如果C能够在第二个SGI到达之前承认第一个SGI，那么C将在GICv3中看到两个中断。

在遗留操作期间，也就是当GICD_CTLR.ARE = 0，SGIs的行为与Arm CoreLink GICv2中相同。文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-807079.html

参考文档

1. Learn the architecture - Arm Generic Interrupt Controller v3 and v4
2. GICv3 and GICv4 Software Overview
3. CoreLink™ GIC-400 Generic Interrupt Controller Technical Reference Manual

到了这里，关于Arm Generic Interrupt Controller v3 and v4（GICv3v4）学习（一）的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！