Linux 链式与层级中断控制器讲解：原理与驱动开发

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。

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。
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