1. 前言
GIC，Generic Interrupt Controller。是ARM公司提供的一個通用的中斷控制器。主要作用爲：
接受硬件中斷信號，並經過一定處理後，分發給對應的CPU進行處理。
當前GIC 有四個版本，GIC v1~v4, 主要區別如下表：
本文主要介紹GIC v3控制器， 基於linux kernel 4.19.0。
2. GIC v3中斷類別
GICv3定義了以下中斷類型：
SPI (Shared Peripheral Interrupt)
公用的外部設備中斷，也定義爲共享中斷。可以多個Cpu或者說Core處理，不限定特定的Cpu。比如按鍵觸發一箇中斷，手機觸摸屏觸發的中斷。
PPI (Private Peripheral Interrupt)
私有外設中斷。這是每個核心私有的中斷。PPI太冗長會送達到指定的CPU上，應用場景有CPU本地時鐘。
SGI (Software Generated Interrupt)
軟件觸發的中斷。軟件可以通過寫GICD_SGIR寄存器來觸發一箇中斷事件，一般用於核間通信。
LPI (Locality-specific Peripheral Interrupt)
LPI是GICv3中的新特性，它們在很多方面與其他類型的中斷不同。LPI始終是基於消息的中斷，它們的配置保存在表中而不是寄存器。比如PCIe的MSI/MSI-x中斷。
| 硬件中斷號 | 中斷類型 |
|---|---|
| 0-15 | SGI |
| 16 - 31 | PPI |
| 32 - 1019 | SPI |
| 1020 - 1023 | 用於指示特殊情況的特殊中斷 |
| 1024 - 8191 | Reservd |
| 8192 - MAX | LPI |
3. GIC v3組成
GICv3控制器由以下部分組成:
distributor： SPI中斷的管理，將中斷髮送給redistributor
redistributor： PPI，SGI，LPI中斷的管理，將中斷髮送給cpu interface
cpu interface： 傳輸中斷給core
ITS： Interrupt Translation Service, 用來解析LPI中斷
其中，cpu interface是實現在core內部的，distributor，redistributor，ITS是實現在gic內部的.
Distributor 詳述
Distributor的主要的作用是檢測各個interrupt source的狀態，控制各個interrupt source的行爲，分發各個interrupt source產生的中斷事件分發到指定的一個或者多個CPU interface上。雖然Distributor可以管理多個interrupt source，但是它總是把優先級最高的那個interrupt請求送往CPU interface。
Distributor對中斷的控制包括：
（1）中斷enable或者disable的控制。Distributor對中斷的控制分成兩個級別。一個是全局中斷的控制（GIC_DIST_CTRL）。一旦disable了全局的中斷，那麼任何的interrupt source產生的interrupt event都不會被傳遞到CPU interface。另外一個級別是對針對各個interrupt source進行控制（GIC_DIST_ENABLE_CLEAR），disable某一個interrupt source會導致該interrupt event不會分發到CPU interface，但不影響其他interrupt source產生interrupt event的分發。
（2）控制將當前優先級最高的中斷事件分發到一個或者一組CPU interface。當一箇中斷事件分發到多個CPU interface的時候，GIC的內部邏輯應該保證只assert 一個CPU。
（3）優先級控制。
（4）interrupt屬性設定。例如是level-sensitive還是edge-triggered
（5）interrupt group的設定
Distributor可以管理若干個interrupt source，這些interrupt source用ID來標識，我們稱之interrupt ID。
Redistributor詳述
對於每個連接的PE，都有一個Redistributor.
該block的主要功能包括：
（1）啓用和禁用SGI和PPI。
（2）設置SGI和PPI的優先級。
（3）將每個PPI設置爲電平觸發或邊緣觸發。
（4）將每個SGI和PPI分配給中斷組。
（5）控制SGI和PPI的狀態。
（6）內存中數據結構的基址控制，支持LPI的相關中斷屬性和掛起狀態。
（7）電源管理支持。
CPU interface詳述
CPU interface這個block主要用於和process進行接口。
該block的主要功能包括：
（a）enable或者disable CPU interface向連接的CPU assert中斷事件。對於ARM，CPU interface block和CPU之間的中斷信號線是nIRQCPU和nFIQCPU。如果disable了中斷，那麼即便是Distributor分發了一箇中斷事件到CPU interface，但是也不會assert指定的nIRQ或者nFIQ通知processor。
（b）ackowledging中斷。processor會向CPU interface block應答中斷（應答當前優先級最高的那個中斷），中斷一旦被應答，Distributor就會把該中斷的狀態從pending狀態修改成active或者pending and active（這是和該interrupt source的信號有關，例如如果是電平中斷並且保持了該asserted電平，那麼就是pending and active）。processor ack了中斷之後，CPU interface就會deassert nIRQCPU和nFIQCPU信號線。
（c）中斷處理完畢的通知。當interrupt handler處理完了一箇中斷的時候，會向寫CPU interface的寄存器從而通知GIC CPU已經處理完該中斷。做這個動作一方面是通知Distributor將中斷狀態修改爲deactive，另外一方面，CPU interface會priority drop，從而允許其他的pending的interrupt向CPU提交。
（d）設定priority mask。通過priority mask，可以mask掉一些優先級比較低的中斷，這些中斷不會通知到CPU。
（e）設定preemption的策略
（f）在多箇中斷事件同時到來的時候，選擇一個優先級最高的通知processor
3. 中斷處理流程
從上圖可以看出，中斷處理可以分成兩類：
(1)中斷要通過distributor的中斷流程
–>外設發起中斷，發送給distributor
–>distributor將該中斷，分發給合適的re-distributor
–>re-distributor將中斷信息，發送給cpu interface。
–>cpu interface產生合適的中斷異常給處理器
–>處理器接收該異常，並且軟件處理該中斷
它的中斷狀態機如下圖所示
有四種中斷狀態：
| 中斷狀態 | 描述 |
|---|---|
| Inactive | 中斷即沒有Pending也沒有Active |
| Pending | 由於外設硬件產生了中斷事件（或者軟件觸發）該中斷事件已經通過硬件信號通知到GIC，等待GIC分配的那個CPU進行處理 |
| Active | CPU已經應答（acknowledge）了該interrupt請求，並且正在處理中 |
| Active and Pending | 當一箇中斷源處於Active狀態的時候，同一中斷源又觸發了中斷，進入pending狀態 |
processor ack了一箇中斷後，該中斷會被設定爲active。當處理完成後，仍然要通知GIC，中斷已經處理完畢了。這時候，如果沒有pending的中斷，GIC就會將該interrupt設定爲inactive狀態。操作GIC中的End of Interrupt Register可以完成end of interrupt事件通知。
（2）中斷不通過distributor，比如LPI中斷
外設發起中斷，發送給ITS
–>ITS分析中斷，決定將來發送的re-distributor
–>ITS將中斷髮送給合適的re-distributor
4. LPI
LPI是基於消息的中斷。。也就是，中斷信息不在通過中斷線進行傳遞，而是通過memory。
gic內部提供一個寄存器，當外設往這個地址寫入數據時，就往gic發送了一箇中斷。
在soc系統中，外設想要發送中斷給gic，是需要一根中斷線的。如果現在一個外設，需要增加一箇中斷，那麼就要增加一根中斷線，然後連接到gic。這樣，就需要修改設計。而引入了LPI之後，當外設需要增加中斷，只需要使用LPI方式，傳輸中斷即可，不需要修改soc設計。
傳統的GIC流程：
在傳統的GIC流程中如上圖，外圍設備的中斷觸發線是引出到GIC上的，這樣可以理解爲一個物理的SIGNAL，比如一個高電平信號，邊沿觸發信號。
消息中斷流程：
使用消息將中斷從外設轉發到中斷控制器，無需每個中斷源提供專用信號。 這樣的一個好處是，可以減少中斷線的個數。
在GICv3中，SPI可以是基於消息的中斷，但LPI始終是基於消息的中斷。
5.ITS
引入了LPI之後，gicv3中，還加入了ITS組件，interrupt translation service。ITS將接收到的LPI中斷，進行解析，然後發送到對應的redistributor，再由redistributor將中斷信息，發送給cpu interface。
外設，通過寫GITS_TRANSLATER寄存器，發起LPI中斷。寫操作，給ITS提供2個信息：
EventID： 值保存在GITS_TRANSLATER寄存器中，表示外設發送中斷的事件類型
DeviceID： 表示哪一個外設發起LPI中斷。該值的傳遞，是實現自定義，例如，可以使用AXI的user信號來傳遞。
ITS將DeviceID和eventID，通過一系列查表，得到LPI中斷號，再使用LPI中斷號查表，得到該中斷的目標cpu。
ITS將LPI中斷號，LPI中斷對應的目標cpu，發送給對應的redistributor。redistributor再將該中斷信息，發送給CPU。
6.參考資料
GICv3_Software_Overview_Official_Release_B