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：

pinctrl和gpio子系统专栏：

input子系统专栏：

I2C子系统专栏：

总线和设备树专栏：

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-4.9.88\\drivers\\gpio\\gpio-mxc.c📎gpio-mxc.c
• Linux-4.9.88\\arch\\arm\\boot\\dts\\imx6ull.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-4.9.88\\drivers\\gpio\\gpio-mxc.c```📎gpio-mxc.c
• Linux-4.9.88\\arch\\arm\\boot\\dts\\imx6ull.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 = <GIC_SPI 210 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>; // stm32mp157
interrupts = <GIC_SPI 122 IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH>; // 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。

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。

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）。

• 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。

• 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）。

• 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：