Linux 链式与层级中断控制器讲解：原理与驱动开发
往期内容
本专栏往期内容，interrtupr子系统：
- 深入解析Linux内核中断管理：从IRQ描述符到irq domain的设计与实现
- Linux内核中IRQ Domain的结构、操作及映射机制详解
- 中断描述符irq_desc成员详解
- Linux 内核中断描述符 (irq_desc) 的初始化与动态分配机制详解
- 中断的硬件框架
- GIC介绍
- GIC寄存器介绍
- ARM架构中断与异常向量表机制解析
- 深入解析GIC中断处理与内核初始化：基于Linux 4.9.88内核的详细分析
- GIC中断申请和中断处理流程代码解析、中断调试技巧介绍
pinctrl和gpio子系统专栏：
专栏地址：pinctrl和gpio子系统
编写虚拟的GPIO控制器的驱动程序：和pinctrl的交互使用
– 末片，有专栏内容观看顺序
input子系统专栏：
- 专栏地址：input子系统
- input角度：I2C触摸屏驱动分析和编写一个简单的I2C驱动程序
– 末片，有专栏内容观看顺序I2C子系统专栏：
- 专栏地址：IIC子系统
- 具体芯片的IIC控制器驱动程序分析：i2c-imx.c-CSDN博客
– 末篇，有专栏内容观看顺序总线和设备树专栏：
- 专栏地址：总线和设备树
- 设备树与 Linux 内核设备驱动模型的整合-CSDN博客
– 末篇，有专栏内容观看顺序
目录
- 往期内容
- 1.处理流程对比
- 1.1 下级中断控制器的类别
- 1.1.1 链式中断控制器（chained）
- 1.1.2 层级中断控制器(hierarchy)
- 1.2 链式中断控制器的处理流程
- 1.3 层级中断控制器的处理流程
- 1.4 处理流程对比
- 2.链式中断控制器驱动程序编写
- 2.1 链式中断控制器的重要函数和结构体
- 2.1.1 回顾处理流程
- 2.1.2 irq_domain的核心作用
- 2.2 硬件模型
- 2.3 编程
- 3.层级中断控制器驱动程序编写
- 3.1 层级中断控制器的重要函数和结构体
- 3.1.1 回顾流程
- 3.1.2 irq_domain的核心作用
- 3.2 硬件模型
- 3.3 编程
1.处理流程对比
Linux 4.9.88内核源码
Linux-4.9.88driversgpiogpio-mxc.c📎gpio-mxc.cLinux-4.9.88rchrmootdtsimx6ull.dtsi
1.1 下级中断控制器的类别
在后续课程中我们把GIC之下的中断控制器分为两类：链式(chained)、层级(hierarchy)。
（这个分类并没有官方定义）
1.1.1 链式中断控制器（chained）
上图中，左边的"chained intc"就是链式中断控制器。
它底下的4个中断触发时，都会导致GIC的33号中断被触发。
处理中断时，需要分辨：是谁触发了GIC 33号中断？这需要读取"chained intc"中的寄存器。
1.1.2 层级中断控制器(hierarchy)
上图中，右边边的"hierarchy intc"就是层级中断控制器。
它底下的4个中断，跟GIC中的4个中断一一对应。
处理GIC 100~103号中断时，不需要读取"hierarchy intc"的寄存器来分辨是谁触发了中断。
两种类型的中断控制器是可以组合的
1.2 链式中断控制器的处理流程
下图中：
- handleA、irq_dataA由GIC驱动提供
- handleB、irq_dataB由GPIO驱动提供
- handleC也是GPIO驱动提供
-
假设GPIO模块下有4个引脚，都可以产生中断，都连接到GIC的33号中断
-
GPIO就是一个链式中断控制器，它底下有4个中断
-
对于GPIO模块中0~3这四个hwirq，分配四个irq_desc
- 可以一下子分配4个：legacy，老方法
- 也可以用到时再分配：linear，新方法
-
假设这4个irq_desc的序号为100~103，在GPIO domain中记录(0,100) (1,101)(2,102) (3,103)
-
对于KEY，注册中断时就是：
request_irq(102, ...) -
按下KEY时：
-
程序从GIC中读取寄存器知道发生了33号中断，通过GIC irq_domain可以知道virq为17
-
处理virq 17号中断：调用irq_desc[17].handle_irq，即handleB
-
mask/ack中断: 调用irq_desc[17].irq_data->irq_chip的函数，即irq_dataA
-
细分中断源、处理
-
读取GPIO寄存器，确定是GPIO里2号引脚发生中断
-
通过GPIO irq_domain可以知道virq为102
-
处理virq 102号中断：调用irq_desc[102].handle_irq，即handleC
- mask/ack中断: 调用irq_desc[102].irq_data->irq_chip的函数
- 调用irq_desc[102].action链表中用户注册的函数
- unmask中断: 调用irq_desc[102].irq_data->irq_chip的函数
-
-
unmask中断: 调用irq_desc[17].irq_data->irq_chip的函数
-
-
1.3 层级中断控制器的处理流程
下图中：
- handleA、irq_dataA由GIC驱动提供
- irq_dataB由GPIO驱动提供，不需要handleB
-
假设GPIO模块下有4个引脚，都可以产生中断，分别链接到GIC的100~103号中断
-
GPIO就是一个层级中断控制器
-
对于GPIO模块中0~3这四个hwirq，分配四个irq_desc，用到时再分配
-
假设这4个irq_desc的序号为234~237
- 在GIC domain中记录(100,234) (101,235)(102,236) (103,237)
- 在GPIO domain中记录(0,234) (1,235)(2,236) (3,237)
-
对于KEY，注册中断时就是：
request_irq(236, ...) -
按下KEY时：
-
程序从GIC中读取寄存器知道发生了102号中断，通过GIC irq_domain可以知道virq为236
-
处理virq 236号中断：调用irq_desc[236].handle_irq，即handleA
-
mask/ack中断:
-
调用irq_desc[236].irq_data->irq_chip的函数，即irq_dataB
- 它会调用父级irq_dataA->irq_chip的函数
-
-
调用irq_desc[236].action链表中用户注册的函数
-
unmask中断:
-
调用irq_desc[236].irq_data->irq_chip的函数，即irq_dataB
- 它会调用父级irq_dataA->irq_chip的函数
-
-
-
1.4 处理流程对比
可以说：链式是mask和unmask是从上往下的，而层级是从下往上的
2.链式中断控制器驱动程序编写
Linux 4.9.88内核源码
- `Linux-4.9.88driversgpiogpio-mxc.c```📎gpio-mxc.c
Linux-4.9.88rchrmootdtsimx6ull.dtsi
芯片手册：📎IMX6ULLRM.pdf
2.1 链式中断控制器的重要函数和结构体
2.1.1 回顾处理流程
为方便描述，假设下级的链式中断控制器就是GPIO控制器。
沿着中断的处理流程，GIC之下的中断控制器涉及这4个重要部分：handleB、GPIO Domain、handleC、irq_chip
-
handleB：处理GIC 33号中断，handleB由GPIO驱动提供
-
屏蔽GIC 33号中断：调用irq_dataA的irq_chip的函数，irq_dataA由GIC驱动提供
-
细分并处理某个GPIO中断：
- 读取GPIO寄存器得到hwirq，通过GPIO Domain转换为virq，假设是102
- 调用irq_desc[102].handle_irq，即handleC
-
清除GIC 33号中断：调用irq_dataA的irq_chip的函数，由GIC驱动提供
-
-
handleC：处理GPIO 2号中断，handleC由GPIO驱动提供
- 屏蔽GPIO 2号中断：调用irq_dataB的irq_chip的函数，由GPIO驱动提供
- 处理：调用actions链表中用户注册的函数
- 清除GPIO 2号中断：调用irq_dataB的irq_chip的函数，由GPIO驱动提供
2.1.2 irq_domain的核心作用
怎么把handleB、GPIO Domain、handleC、irq_chip这4个结构体组织起来，irq_domain是核心。
从使用中断的流程来讲解。
- 在设备树里指定使用哪个中断
gpio_keys_100ask {
compatible = "100ask,gpio_key";
interrupt-parent = <&gpio5>;
interrupts = <3 IRQ_TYPE_EDGE_BOTH>,
};
-
内核解析、处理设备树的中断信息
-
根据
interrupt-parent找到驱动程序注册的irq_domain -
使用irq_domain.ops中的translate或xlate函数解析设备树，得到hwirq和type
-
分配/找到irq_desc，得到virq
- 把(hwirq, virq)的关系存入irq_domain
- 把virq存入platform_device的resource中
-
使用irq_domain.ops中的alloc或map函数进行设置
- 可能是替换irq_desc[virq].handle_irq函数
- 可能是替换irq_desc[virq].irq_data，里面有irq_chip
-
-
用户的驱动程序注册中断
- 从platform_device的resource中得到中断号virq
- request_irq(virq, …, func)
-
发生中断、处理中断：处理流程见上面。
2.2 硬件模型
下图中列出了链式中断控制器、层级中断控制器，只涉及左边的链式中断控制器。
内核中有各类中断控制器的驱动程序，它们涉及的硬件过于复杂，从这些杂乱的代码中去讲清楚中断体系，比较难。
实现一些虚拟的中断控制器，如下图所示。
实际板子中，可以通过按键触发中断。
对于这些虚拟的中断控制器，我们没有真实按键，通过devmem指令写GIC的PENDING寄存器触发中断。
2.3 编程
会涉及2个驱动程序：虚拟的中断控制器驱动程序，按键驱动程序，以及对应的设备树。
legacy方式：
📎virtual_int_controller.c //GPIO模块
📎gpio_key_drv.c //GPIO引脚
📎Makefile and dts.zip
#define n 100
/{
virtual_intc: virtual_intc_100ask {
compatible = "XXX,virtual_intc";
interrupt-controller;
#interrupt-cells = <2>;
interrupt-parent = <&intc>;
//interrupts = ; // stm32mp157
interrupts = ; // imx6ull
};
gpio_keys_100ask {
compatible = "XXX,gpio_key";
interrupt-parent = <&virtual_intc>;
interrupts = <0 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
<1 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
<2 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
<3 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
};
};
注册irq_domain的方法：irq_domain_add_legacy（传统的）、irq_domain_add_linear（链式的）、irq_domain_add_hierarchy（层级的）
编写可以参考：gpio-mxc.c
irq_alloc_descs(irq, from, cnt, node) 提供了对irq号的分配
————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————
struct irq_domain *irq_domain_add_legacy(struct device_node *of_node,
unsigned int size, unsigned int first_irq,
irq_hw_number_t first_hwirq, const struct irq_domain_ops *ops,
void *host_data);
实现irq domain的创建，且可以绑定用户已经申请的irq desc，默认irq_base被配置为正确的irq desc
linear方式：
📎virtual_int_controller.c
📎gpio_key_drv.c
📎Makefile and dts.zip
linear、legacy方式，都是用来编写链式中断控制器驱动程序，它们的关系如下表所示。
| legacy | linear | |
|---|---|---|
| 函数 | irq_domain_add_legacy | irq_domain_add_linear |
| irq_desc | 一次性分配完 | 用到再分配 |
| (hwirq,virq) | domain->linear_revmap[hwirq] = irq_data->irq; | 同左边 |
3.层级中断控制器驱动程序编写
3.1 层级中断控制器的重要函数和结构体
3.1.1 回顾流程
为方便描述，假设下级的层级中断控制器就是GPIO控制器。
下图中：
- handleA、irq_dataA由GIC驱动提供
- irq_dataB由GPIO驱动提供，不需要handleB
-
假设GPIO模块下有4个引脚，都可以产生中断，分别链接到GIC的100~103号中断
-
GPIO就是一个层级中断控制器
-
对于GPIO模块中0~3这四个hwirq，分配四个irq_desc，用到时再分配
-
假设这4个irq_desc的序号为234~237
- 在GIC domain中记录(100,234) (101,235)(102,236) (103,237)
- 在GPIO domain中记录(0,234) (1,235)(2,236) (3,237)
-
对于KEY，注册中断时就是：
request_irq(236, ...) -
按下KEY时：
-
程序从GIC中读取寄存器知道发生了102号中断，通过GIC irq_domain可以知道virq为236
-
处理virq 236号中断：调用irq_desc[236].handle_irq，即handleA
-
mask/ack中断:
-
调用irq_desc[236].irq_data->irq_chip的函数，即irq_dataB
- 它会调用父级irq_dataA->irq_chip的函数
-
-
调用irq_desc[236].action链表中用户注册的函数
-
unmask中断:
-
调用irq_desc[236].irq_data->irq_chip的函数，即irq_dataB
- 它会调用父级irq_dataA->irq_chip的函数
-
-
-
3.1.2 irq_domain的核心作用
怎么把handleA、GIC Domain和GPIO Domain、irq_chipA和irq_chipB这4个结构体组织起来，irq_domain是核心。
为方便描述，我们把上图中的层级中断控制器当做GPIO控制器。
我们从使用中断的流程来讲解。
- 在设备树里指定使用哪个中断
gpio_keys_100ask {
compatible = "XXX,gpio_key";
interrupt-parent = <&gpio5>;
interrupts = <3 IRQ_TYPE_EDGE_BOTH>,
};
-
内核解析、处理设备树的中断信息
-
根据
interrupt-parent找到驱动程序注册的GPIO irq_domain -
GPIO irq_domain对设备树的解析
-
使用GPIO irq_domain.ops中的translate或xlate函数解析设备树，得到hwirq和type
-
分配/找到irq_desc，得到virq
- 把(hwirq, virq)的关系存入GPIO irq_domain
- 把virq存入platform_device的resource中
-
修改得到对应的GIC_hwirq，调用父级GIC irq_domain继续解析
- 把(GIC_hwirq, virq)的关系存入GIC irq_domain
-
注意：对于同一个硬件中断，它在两个irq_domain里的virq是相同的，hwirq可能不一样。
-
-
GPIO irq_domain对设备树的设置
-
使用GPIO irq_domain.ops中的alloc函数进行设置
-
替换irq_desc[virq].irq_data，里面有irq_chip改为irq_chipB，即GPIO的irq_chip
-
调用父级GIC irq_domain的alloc继续设置
- 设置irq_desc[virq].handle_irq为GIC的handle_irq，即上图中的handleA
-
-
-
-
用户的驱动程序注册中断
- 从platform_device的resource中得到中断号virq
- request_irq(virq, …, func)
-
发生中断、处理中断：处理流程见上面1.3。
3.2 硬件模型
下图中列出了链式中断控制器、层级中断控制器，本节课程之设计右边的层级中断控制器。
内核中有各类中断控制器的驱动程序，它们涉及的硬件过于复杂，从这些杂乱的代码中去讲清楚中断体系，比较难。
我们实现一些虚拟的中断控制器，如下图所示。
实际板子中，我们可以通过按键触发中断。
对于这些虚拟的中断控制器，我们没有真实按键，通过devmem指令写GIC的PENDING寄存器触发中断。
3.3 编程
会涉及2个驱动程序：虚拟的中断控制器驱动程序，按键驱动程序，以及对应的设备树。
虚拟的中断控制器驱动程序中，涉及2个递归处理。
- alloc的递归处理
- irq_chip的递归处理
点击下载即可：
📎virtual_int_controller.c
📎gpio_key_drv.c
/ {
virtual_intc: virtual_intc_100ask {
compatible = "XXX,virtual_intc";
interrupt-controller;
#interrupt-cells = <2>;
interrupt-parent = <&intc>;
//upper_hwirq_base = <122>; // imx6ull
upper_hwirq_base = <210>; // stm32mp157
};
gpio_keys_100ask {
compatible = "XXX,gpio_key";
interrupt-parent = <&virtual_intc>;
interrupts = <0 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
<1 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
<2 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>,
<3 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>;
};
};
irq_domain_alloc_irqs_parent 在层级化中断控制器结构中，负责将子中断控制器的中断映射到其父中断控制器，并在父中断控制器中设置相应的中断描述符（irq_desc）的处理函数（handle_irq）和中断芯片（irq_chip）。
- 层级化中断控制器结构:
- 在层级化中断控制器结构中，通常有多个中断控制器，其中一个是父控制器（如 GIC），负责处理较高层次的中断，另一个是子控制器（如虚拟中断控制器），负责处理更低层次或具体设备的中断。
- 子控制器中的中断最终需要通过父控制器来处理，因此需要将子控制器的中断关联到父控制器的中断线上。
irq_domain_alloc_irqs_parent的作用:
当调用
irq_domain_alloc_irqs_parent时，该函数会为子控制器的中断请求在父控制器中分配相应的中断资源，并在父控制器的irq_desc中设置处理函数和irq_chip
信息。具体来说，它会在父控制器的
irq_desc中设置：
**handle_irq**: 用于处理该中断的具体处理函数。在发生中断时，父控制器会调用这个处理函数来响应中断。**irq_chip**: 父控制器的中断芯片信息，这决定了父控制器如何管理这个中断（例如，屏蔽、解屏蔽、确认中断等操作）。
- 映射关系:
irq_domain_alloc_irqs_parent会根据提供的irq_fwspec，在父中断控制器中创建或更新硬件中断号（hwirq）和虚拟 IRQ 号（virq）之间的映射。- 它确保子控制器中的中断能正确地映射到父控制器的中断线，并且父控制器能够正确处理这些中断。
具体步骤：
调用
irq_domain_alloc_irqs_parent:
- 这个函数会根据传入的参数，找到对应的父中断控制器，并在父中断控制器中为这些中断分配 IRQ 号。
配置父控制器的
irq_desc:
- 在分配过程中，它会配置父控制器的
irq_desc结构，包括设置handle_irq和irq_chip，使得父控制器知道如何处理这些来自子控制器的中断。完成中断链路的配置:
- 通过这种方式，子控制器的中断能够通过父控制器进行处理，实现层级化的中断处理机制。
