基于GICv3的中断虚拟化——Linux中断子系统分析

说明： 本文所参考的内核版本是：Linux (none) 6.3.0-rc1+

1. 计算机中断处理框架简介

在计算机系统中，关于中断处理的软硬件框架如图1-1所示。一个设备中断从产生到处理的过程可以概括为以下5个主要阶段：

1） 设备产生中断信号并发送至中断控制器；

2） 中断控制器将硬件中断ID定向到适当的CPU；

3） CPU对中断进行响应，将PC指针跳至Vector表中的对应中断处理入口，即irq_handle；

4） irq_handle进一步调用通用中断处理函数generic_handle_irq，位于Interrupt子系统内；

5） generic_handle_irq再次调用设备驱动程序中注册的dev_irq_handle，以完成中断处理。

图1-1

2. AArch64 vector tables初始化流程

AArch64架构下vector tables初始化流程见图2-1：

图2-1

nVHE模式下vector table初始化流程见图2-2：

图2-2

3. Linux中断子系统

3.1 Linux中断子系统框架

Linux中断子系统框架按照Linux官方文档抽象层分为三个level：High-level driver API、High-level IRQ flow handlers、Chip-level hardware encapsulation。

但从当前Linux内核版本中除了上述三个抽象等级，还包括irq domain和interrupt descriptor management。

图3-1

1. High-level driver API

High-level driver API为设备驱动提供中断实现中断的申请、注销等API：

•request_irq()

•request_threaded_irq()

•free_irq()

•disable_irq()

•enable_irq()

•disable_irq_nosync() (SMP only)

•synchronize_irq() (SMP only)

•irq_set_irq_type()

•irq_set_irq_wake()

•irq_set_handler_data()

•irq_set_chip()

•irq_set_chip_data()

b. High-level IRQ flow handlers

•handle_level_irq()

•handle_edge_irq()

•handle_fasteoi_irq()

•handle_simple_irq()

•handle_percpu_irq()

•handle_edge_eoi_irq()

•handle_bad_irq()

c. Chip-level hardware encapsulation

•irq_ack

•irq_mask_ack – Optional, recommended for performance

•irq_mask

•irq_unmask

•irq_eoi – Optional, required for EOI flow handlers

•irq_retrigger – Optional

•irq_set_type – Optional

•irq_set_wake – Optional

3.2 IRQ domain

  IRQ domain用于将硬件的中断号（hirq），转换成Linux系统中的软件中断号（sirq），每一个Linux软件中断号对应一项

irq_desc, 每个中断控制器都对应一个IRQ Domain。

 在硬件设计实现时，会将设备的中断信号关联到中断控制器，中断控制器会为设备分配硬件中断号，硬件中断号会定义在设备树或

ACPI表中，由bootloader传递给Linux系统，Linux系统启动加载设备驱动时，驱动程序会根据硬件中断号申请软件中断号，同时

注册设备驱动处理函数。

IRQ Domain支持三种映射方式：linear map（线性映射），tree map（树映射），no map（不映射）；

•linear map：维护固定大小的表，索引是硬件中断号，如果硬件中断最大数量固定，并且数值不大，可以选择线性映射；

•tree map：硬件中断号可能很大，可以选择树映射；

•no map：硬件中断号直接就是Linux的中断号；

3.3 GICv3驱动初始化

GICv3的初始化流程：

图3-2

3.4 Linux系统下中断响应流程

Linux系统下中断响应流程：

设备触发中断–>中断控制器收到中断信号–>发送到响应CPU–>CPU响应中断（CP指针跳转到中断异常向量表入口）–>执行CPU架构中断handle–>执行中断控制器handle–>执行Linux中断子系统handle–>执行设备驱动程序注册的中断处理函数.

Linux系统中断响应流程如下:

图3-3 Aarch64中断响应流程

图3-4 gicv3及中断子系统处理流程

图3-5 设备中断注册

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