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ARM GIC(六)gicv3架构-LPI

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在gicv3中,引入了一种新的中断类型。message based interrupts,消息中断。

一、消息中断

外设,不在通过专用中断线,向gic发送中断,而是写gic的寄存器,来发送中断。

这样的一个好处是,可以减少中断线的个数。

为了支持消息中断,gicv3,增加了LPI,来支持消息中断。并且为他分配了特别多的中断号,从8192开始,移植到16777216。

LPI,locality-specific peripheral interrupts。spec中,用了一章,来介绍这个LPI。

二、LPI介绍

LPI是一种基于消息的边沿中断。也就是,中断信息,不在通过中断线,进行传递,而是通过memory。gic内部,提供一个寄存器,当外设往这个地址,写入数据时,就往gic发送了一个中断。

在soc系统中,外设想要发送中断给gic,是需要一根中断线的。如果现在一个外设,需要增加一个中断,那么就要增加一根中断线,然后连接到gic。这样,就需要修改设计。而引入了LPI之后,当外设需要增加中断,只需要使用LPI方式,传输中断即可,不需要修改soc设计。

引入了LPI之后,gicv3中,还加入了ITS组件,interrupt translation service。ITS将接收到的LPI中断,进行解析,然后发送到对应的redistributor,再由redistributor将中断信息,发送给cpu interface。

以下是带LPI的框图。外设,通过写 GITS_TRANSLATER 寄存器,来传递消息中断。

LPI,和SPI,PPI,SGI有些差别,LPI的中断的配置,以及中断的状态,是保存在memory的表中,而不是保存在gic的寄存器中的。

  • GICR_PROPBASER:保存LPI中断配置表的基地址
  • GICR_PENDBASER: 保存LPI中断状态表的基地址

这里,就涉及到两个表:

1、LPI中断配置表

该表,保存在memory中。基地址,由GICR_PROPBASER寄存器决定。

该寄存器描述如下:

其中的Physical_Address字段,指定了LPI中断配置表的基地址。

对于LPI配置表,每个LPI中断,占用1个字节,指定了该中断的使能和中断优先级。

当外部发送LPI中断给redistributor,redistributor首先要查该表,也就是要访问memory来获取LPI中断的配置。为了加速这过程,redistributor中可以配置cache,用来缓存LPI中断的配置信息。

因为有了cache,所以LPI中断的配置信息,就有了2份拷贝,一份在memory中,一份在redistributor的cache中。如果软件修改了memory中的LPI中断的配置信息,需要将redistributor中的cache信息给无效掉。

2、LPI中断状态表

该表,处于memory中,保存了LPI中断的状态,是否pending状态。

LPI中断的状态,不是保存在寄存器中,而是保存在memory中的pending表中。该状态表,由redistributor来进行更改。而该table的基地址,是由软件来设置的。

软件通过设置 GICR_PENDBASER 寄存器来设置。

该寄存器,设置LPI状态表的基地址,该状态表的memory的属性,如shareability,cache属性等。

每个LPI中断,占用一个bit空间

  • 0: 该LPI中断,没有处于pending状态
  • 1: 该LPI中断,处于pending状态

该状态表,由redistributor来设置。软件如果修改该表,会引发unpredictable行为。

三、LPI的实现方式

为了实现LPI,gicv3定义了以下两种方法来实现:

  • 使用ITS,将外设发送到eventID,转换成LPI     中断号
  • forwarding方式,直接访问redistributor的寄存器GICR_SERLPIR,直接发送LPI中断

1、forwarding方式

这种方式,比较简单,主要由下面几个寄存器来实现:

  • GICR_SERLPIR
  • GICR_CLRLPIR
  • GICR_INVLPIR
  • GICR_INVALLR    
  • GICR_SYNCR

    其gic框图如下所示:

GICR_SERLPIR,将指定的LPI中断,设置为pending状态。

GICR_INVLPIR,将指定的LPI中断,清除pending状态。寄存器内容和GICR_SERLPIR一致。

GICR_INVLPIR,将缓存中,指定LPI的缓存给无效掉,使GIC重新从memory中载入LPI的配置。

GICR_INVALLR,将缓存中,所有LPI的缓存给无效掉,使GIC重新从memory中,载入LPI中断的配置。

GICR_SYNCR,对redistributor的操作是否完成。

寄存器,只有第0bit是有效的。如果为0,表示当前对redistributor的操作是完成的,如果为1,那么是没有完成的。

2、使用ITS方式

理解了forwarding方式,那么理解ITS方式,就要容易了。forwarding方式,是直接得到了LPI的中断号。

但是对于ITS方式,是不知道LPI的中断号的。需要将外设发送的DeviceID,eventID,通过一系列查表,得到LPI的中断号以及该中断对应的target redistributor,然后将LPI中断,发送给对应的redistributor。

下图是带有ITS的gic框图:

外设,通过写GITS_TRANSLATER寄存器,发起LPI中断。写操作,给ITS提供2个信息:

  • EventID:值保存在GITS_TRANSLATER寄存器中,表示外设发送中断的事件类型
  • DeviceID:表示哪一个外设发起LPI中断。该值的传递,是实现自定义,例如,可以使用AXI的user信号来传递。

ITS将DeviceID和eventID,通过一系列查表,得到LPI中断号,再使用LPI中断号查表,得到该中断的目标cpu。

ITS将LPI中断号,LPI中断对应的目标cpu,发送给对应的redistributor。redistributor再将该中断信息,发送给CPU。

四、ITS

ITS是一个组件,用来提供给外设,发送LPI中断的,然后将LPI中断,发送给redistributor。

1、ITS处理流程

ITS使用三类表格,实现LPI的转换和映射:

  • device table: 映射deviceID到中断转换表
  • interrupt translation table:映射EventID到INTID。以及INTID属于的collection组
  • collection table:映射collection到redistributor

当外设往GITS_TRANSLATER寄存器中写数据后,ITS做如下操作:

  • 使用DeviceID,从设备表(device table)中选择索引为DeviceID的表项。从该表项中,得到中断映射表的位置
  • 使用EventID,从中断映射表中选择索引为EventID的表项。得到中断号,以及中断所属的collection号
  • 使用collection号,从collection表格中,选择索引为collection号的表项。得到redistributor的映射信息
  • 根据collection表项的映射信息,将中断信息,发送给对应的redistributor

以上是物理LPI中断的ITS流程。虚拟LPI中断的ITS流程与之类似。以下是处理流程图:

2、ITS命令

ITS操作,会涉及到很多表,而这些表的创建,维护是通过ITS命令,来实现的。虽然这些表,是在内存中的,但是GICv3和GICv4,不支持直接访问这些表,而是要通过ITS命令,来配置这些表。

ITS的操作,是通过命令,来控制的。外部通过发送命令给ITS,ITS然后去执行命令,每个命令,占32字节。

ITS有command队列,命令写在这个队列里面。ITS会自动的按照队列顺序,一一执行。

每个命令占32个字节。

命令,存放在内存中,GITS_CBASE,保存命令的首地址。GITS_CREADR,是由ITS控制,表示下一个命令的地址。GITS_CWRITER,是下一个待写命令的地址。软件往GITS_CWRITER地址处,写入命令,之后ITS就会执行这个命令。

ITS提供的命令,有很多,可以查阅GIC手册获取更多。

以下是CLEAR命令。

3、ITS table

ITS包括很多个表,这些表均处于 non-secure区域。

GITS_BASER<n>,指定ITS表的基地址和大小。软件,在使用ITS之前,必须要配置。

其中的Physical_Address字段,就指定了表的基地址所在位置。    

以下是各个表的基地址,对应的寄存器。

五、总结

gicv3中,引入了消息中断,并且为之,支持了LPI。分配了大量的中断号,用于LPI。对于LPI的实现,有2种方式,一种是访问redistributor提供的寄存器,一种是使用ITS。

不过对于手机arm cpu来说,其实是不需要LPI的,因为现有的中断,已经符合要求,加入了LPI,让gic更复杂,让软件操作,也更复杂。但是对于服务器arm cpu,这个,就需要了,因为这个可以和PCIE相连,实现消息中断。个人感觉,这个LPI中断,是为arm服务器cpu,所使用的。

对于提供的gic IP来说,比如gic600,是有配置选项,决定,是否是否支持LPI中断,以及是否需要ITS。