Linux中斷子系統domain詳解

隨着現代CPU的複雜度加大，外設中斷數量增加，實際上系統可能同時需要多箇中斷控制器進行級聯，面對這樣的趨勢，Linux引入了irq domain這個概念。

對於Linux系統中所有的interrupt controller都會形成樹狀結構，對於每個interrupt controller都可以連接若干個外設的中斷請求，interrupt controller會對連接其上的interrupt source進行編號（也就是HW interrupt ID，後面我們叫hirq），但這個編號僅僅限制在本interrupt controller範圍內。既然存在hirq，那麼在系統軟件中， 就存在一個全局統管的編號，這個編號可以定位控制器和控制器中的中斷號，我們把這個編號叫做virq（我們在Linux系統中調用API request_irq中需要的irq號 實際上是virq號）。對於中斷級聯，我們以TI的TiTDA系列爲例，如下圖：

如上圖，該CPU是直接連接在中斷控制器GICv3上面的，但是GIC不是直接和設備相連，而是與INTR控制器連接，而INTR控制器又與INTA控制器連接，最後INTA控制器才直接和設備相連。在這裏其實就簡單的形成了一個簡單的樹形結構。

domain裏面的hirq排列可以是樹形的也可以是線性的，本文主要說樹形的

咋們先看看domain的結構（一箇中斷控制器就可以看成是一個domain）：

struct irq_domain {
    struct list_head link;
    const char *name;    // domain的名字
    const struct irq_domain_ops *ops; // 當前domain的處理函數
    void *host_data;   // 存放私有數據
    unsigned int flags;
    unsigned int mapcount;

    /* Optional data */
    struct fwnode_handle *fwnode;  // 和設備樹有關係
    enum irq_domain_bus_token bus_token;  // bus標記，用於匹配domain
    struct irq_domain_chip_generic *gc;
#ifdef    CONFIG_IRQ_DOMAIN_HIERARCHY
    struct irq_domain *parent;          // 樹形結構的父節點domain
#endif

    irq_hw_number_t hwirq_max;    // hwirq樹形（radix tree）支持的最大節點數量
    unsigned int revmap_direct_max_irq; // hwirq和virq 1:1映射支持的最大數量
    unsigned int revmap_size;     // 線性映射支持的最大數量
    struct radix_tree_root revmap_tree;  // radix tree的樹根
    struct mutex revmap_tree_mutex;
    unsigned int linear_revmap[];       // 線性映射的數組
}

如上圖可知，domain的結構裏面基本都是關於hirq相關信息的，因此，我們可以推斷domain就是用於管理hirq的（每個domain都有自己的一套hirq），而domain中的ops字段就是用於操作這些hirq的， 下面是domain的操作函數ops的結構：

struct irq_domain_ops {
    int (*match)(struct irq_domain *d, struct device_node *node,
         enum irq_domain_bus_token bus_token); // 用於匹配domain，優先級低於selec
    int (*select)(struct irq_domain *d, struct irq_fwspec *fwspec,
         enum irq_domain_bus_token bus_token); // 用於匹配domain，優先級高於match
    int (*map)(struct irq_domain *d, unsigned int virq, irq_hw_number_t hw); // 線性映射
    void (*unmap)(struct irq_domain *d, unsigned int virq);
    int (*xlate)(struct irq_domain *d, struct device_node *node, // 通過參數,線性hirq獲取
         const u32 *intspec, unsigned int intsize,
         unsigned long *out_hwirq, unsigned int *out_type);
#ifdef    CONFIG_IRQ_DOMAIN_HIERARCHY
    /* extended V2 interfaces to support hierarchy irq_domains */
    int (*alloc)(struct irq_domain *d, unsigned int virq,//樹形節點申請,映射（只有樹形纔有這個）
         unsigned int nr_irqs, void *arg);
    void (*free)(struct irq_domain *d, unsigned int virq, 
         unsigned int nr_irqs);
    int (*activate)(struct irq_domain *d, struct irq_data *irqd, bool reserve); // 中斷激活
    void (*deactivate)(struct irq_domain *d, struct irq_data *irq_data);
    int (*translate)(struct irq_domain *d, struct irq_fwspec *fwspec, //通過參數對樹形hirq獲取
             unsigned long *out_hwirq, unsigned int *out_type);
#endif
}

如上圖，對於domain的hirq，我們可以看到結構裏面有查詢分配hirq，以及hirq與virq的映射的函數。現在，我們已經瞭解了domain的數據結構，下面是一箇中斷控制器註冊一個domain的流程:

irq_domain_add_hierarchy
        irq_domain_create_tree
             __irq_domain_add
                  list_add(&domain->link, &irq_domain_list)

可見最終所有的domain都添加到irq_domain_list鏈表當中的。但是我們知道，我們調用request_irq用的是virq號，而並不是hirq，因爲hirq號不是唯一的，每個domain都可能會存在一個相同的hirq，因此Linux才增加的virq編號，這個編號是獨立的且唯一。現在domain已經註冊好了，但是hirq和virq直接的關係還沒有建立起來，因此我們還不能用virq來註冊中斷，如下是把hirq和virq做一個映射函數調用：

irq_create_fwspec_mapping(傳入domain和參數)
    irq_find_matching_fwspec
        domain->ops->match // 查看當前domain和參數指定的domain是否匹配
    irq_domain_translate
        domain->ops->translate // 通過參數申請一個hirq號
    irq_find_mapping // 通過hirq去查詢，這個hirq是否已經映射，如果已經映射，就返回virq
    irq_domain_alloc_irqs // hirq沒有映射，通過該函數去申請一個virq並映射
        __irq_domain_alloc_irqs 
            irq_domain_alloc_descs // 申請一個irq_desc描述 
            irq_domain_alloc_irq_data // 爲virq設置irq_data樹，該virq會爲它所在的domain的父domain，一直到root domain添加irq_data
            irq_domain_alloc_irqs_hierarchy // 向domain申請hirq，並和virq做映射
                domain->ops->alloc
                    irq_domain_set_hwirq_and_chip // 將hirq與virq的irq_data關聯
            irq_domain_insert_irq//將virq信息插入到每一級irq_data裏面（一個domain對應一個irq_data）

如上圖，當驅動調用irq_create_fwspec_mapping函數的時候，該函數會通過參數在指定的domain裏面的申請hirq，然後申請一個virq，並將virq和hirq關聯起來。下圖是，irq_data的結構圖：

如上圖所示，在domain裏面利用linear_revmap（線性）或者revmap_tree（radix tree）來保存irq_data結構，在接收到中斷的時候，我們只知道hirq號和對應的domain，因此可以以hirq爲key值從revmap_tree或者linear_revmap當中獲取到irq_data數據結構；當我們調用request_irq的時候，只填入了virq，因此也可以通過virq做爲key在irq_desc_tree或者irq_desc[]數組中獲取到irq_desc描述，從而獲取到這個描述的irq_data。irq_data包含irq_chip（中斷控制屏蔽掩碼，設置觸發方式等函數）、virq（這個值和該irq_data的父節點parent_data（irq_data）的virq的值相同），hwirq(每個irq_data的hwirq是不同的，對應不同的domain內部編號)、domain（指向當前irq_data所在的domain）、chip_data(指向當前irq_data所在domain的私有數據)、parent_data(指向irq_data的父節點，這個父節點存放父domain相關信息)。

linear_revmap和revmap_tree是domain結構裏面的變量，每個domain都有，用於保存hirq與irq_data的對應關係；irq_desc_tree和irq_desc[]是全局變量，用於保存irq_desc結構的鏈表或者樹。

通常在ARMv8體系結構中，中斷處理的流程，如下圖：

如上圖，我們這個處理流程是el1模式的，在el1模式的時候，彙編級別的共用中斷函數爲el1_irq。圖中我們可以看見幾個箭頭指示的點，1、handle_arch_irq；2、desc->handle_irq；3、irqaction->handler。我們知道，通常ARM體系結構的CPU都和GIC中斷控制器相連，詳細《ARM中斷控制器-GICv2》，因此，handle_arch_irq這個全局函數指針，是有通用的中斷控制器GIC驅動設置的（GIC驅動調用set_handle_irq函數設置），這樣CPU上的所有異常中斷都經過GIC的回調函數處理。GIC的這個回調函數gic_handle_irq（就是handle_arch_irq），負責mask中斷和eoi中斷（eoi就是ack控制器）。在這個回調函數裏面，我們可以通過寄存器值獲取到當前控制的那個中斷號（該domain的hirq）觸發了中斷，然後通過hirq可以獲取到對應的virq，從而獲取到irq_desc描述，最後調用irq_desc描述的handle_irq來處理該中斷。由圖中，我們還看到handle_irq這個函數其實也是註冊的，但是爲了方便統一，這個回調通常都是gic驅動爲每個中斷註冊一個統一的回調函數（handle_fasteoi_irq）;handle_fasteoi_irq這個函數支持中斷共享，然後依次調用掛在irq_desc下面的irqaction結構中的handle函數（玩家每調用依次request_irq就會在對應的virq上增加一個irqaction）。

irq_desc是一個virq對應的描述結構體，每個virq對應一個該結構。在irq_desc結構體裏面有irq_data和irqaction變量，一個用於存放與當前virq映射的hirq信息，另一個用於存放該virq的中斷回調處理函數。nr_irqs全局變量保存當前支持最大的中斷數（可以通過irq_expand_nr_irqs函數擴展）

原文來自：https://www.linuxprobe.com/linux-subsystem-domain.html