Linux中断子系统之中断映射

中断是当前计算机系统的基础功能，也是系统响应外设事件的必备桥梁。不同的架构对中断控制器有不同的设计理念，本文针对ARM公司提供的通用中断控制器（GIC,Generic Interrupt Controller）介绍在linux系统中的硬件中断号与软件中断号的映射过程。

首先，我们先来理解一下硬件中断号和软件中断号。

• 硬件中断号：GIC为每一个硬件中断源都分配了一个唯一编号，称为硬件中断号，用于区分不同的中断源。GIC-v3支持的硬件中断类型和分配的硬件中断号范围如下图所示。

IC 分配的中断号范围

• 软件中断号：系统在中断注册和中断处理过程中使用到的中断号。有的地方也称为虚拟中断号。

为什么要进行中断映射呢？简单来讲，软件可以不需要关注该中断在硬件上是哪个中断来源。简单的SOC内部对中断的管理也比较简单，通常会有一个全局的中断状态寄存器来记录外设中断，这样直接将硬件中断号线性映射到软件中断号即可。但是随着芯片技术的发展，SOC越来越复杂，通常内部会有多个中断控制器（比如GIC interrupt controller, GPIO interrupt controller）, 每一个中断控制器对应多个中断号，而硬件中断号在不同的中断控制器上是会重复编码， 这时仅仅用硬中断号已经不能唯一标识一个外设中断。尤其在多个中断控制器级联的情况下，会变得更加复杂。这样对软件编程来讲极不友好，作为软件工程师，我们更愿意集中精力关注软件层面的内容。

接下来，我们看看Linux系统中断映射过程涉及到的数据结构，数据结构详细信息请参看Linux内核源码。

□ struct irq_desc，中断描述符，每个irq都会在系统中分配一个该数据结构，用于描述该irq的相关信息，包含了irqaction 。

□struct irq_domain/struct irq_chip, 是对中断控制器的软件抽象。

irq_domain 侧重于对级联关系的描述，以及该中断控制器对某个中断响应的描述在struct irq_domain_ops中进行组织。irq_domain中的linear_revmap[] 和 revmap_tree 用于该domain中hwirq的map。

irq_chip 侧重对该中断控制器响应中断过程的描述。

□struct irq_data, 是中断映射的关键数据结构，映射过程这要是填充该数据结构中的irq与hwirq。irq 为软件系统分配的虚拟中断号，hwirq为该domain分配的硬件中断号。

Linux系统中断映射过程涉及到的数据结构间的关系如下：

映射过程大致分为如下几个过程：

1 . 系统维护全局allocated_irqs

2 . 中断控制器的初始化

3 . 软件中断号的获取与映射

4 . 硬件中断号的获取与映射

一、系统维护全局allocated_irqs

在开了CONFIG_SPARSE_IRQ的系统中，系统中维护的全局allocated_irqs有NR_IRQS + 8196 位，每一位代表一个软件中断号。在virq的申请过程中，既可以单个中断号申请，也可以几个中断号一起申请。在申请过程中，从allocated_irqs的低位到高位查询第一个连续N个空闲的位作为软件中断号。

系统中的allocated_irqs 定义如下：

二 、中断控制器的初始化

中断控制器通过IRQCHIP_DECLARE 宏注册到__irqchip_of_table，系统开机初始化阶段 start_kernel() => init_IRQ()=> irqchip_init 调度到注册的gic_of_init() 对GIC进行初始化。

Gic_of_init中注册domain相关的处理函数，其中gic_irq_domain_translate()将DTS中解析的中断信息翻译得到HWirq。通过irq_domain_create_tree() 申请一个domain内存，赋值后加入到全局的 irq_domain_list中。同时，设置中断处理入口函数。

三 、软件中断号的获取与映射

kernel_init() => kernel_init_freeable() => do_pre_smp_initcalls()=> do_one_initcall() => arm64_device_init() => of_platform_populate()=> of_platform_bus_create() => of_platform_device_create_pdata() =>of_device_alloc()

Of_device_alloc()中，想通过of_irq_count() 从dts node中计算出该node中的irq 数量。然后对应每一个irq 调用of_irq_to_resource() => of_irq_get() 获取软件中断号。of_irq_get() 调用of_irq_parse_one() 从dts中收集该中断的相关信息如触发方式，中断号，中断类型等信息并记录在oirq结构体中。然后调用irq_create_of_mapping()进行中断映射并返回软件中断号。

irq_create_of_mapping() => irq_create_fwspec_mapping()通过irq_domain_translate()调用 gic_of_init()过程中注册的gic_irq_domain_translate() 进行翻译得到hwirq。然后调用irq_find_mapping() 尝试通过domain->revmap_tree 获取irq_data,从而后去irq。如果获取到irq说明该中断已完成映射，无需再进行下去。如果没有获取到irq，说明该中断没有进行过映射，继续往下。irq_create_mapping()中先通过bitmap_find_next_zero_area() 从allocated_irqs中找到第一个空闲位 start作为软件中断号。然后申请一个中断描述符irq_desc,完成相关赋值后，将软件中断号作为键值把irq_desc 加入到irq_desc_tree 基树上。此后，

就可以通过irq从irq_desc_tree 基树上快速获取对应的irq_desc，从而获取其他相关信息。

四 、硬件中断号的获取与映射

irq_create_fwspec_mapping()先调用irq_domain_translate()获取到硬件中断号，由于预留了SGI,PPI的中断号，这里需要加上对应的中断号偏移。然后在irq_domain_associate()中通过给该irq_data->hwirq赋值为获取到的硬件中断号,同时在irq_domain_set_mapping()中进行映射建立起hwirq与irq_data之间的联系。

irq_domain_set_mapping()中的映射包含两个部分，一是在该控制器支持一定的线性映射前提下，当hwirq revmap_size时进行线性映射。否则以hwirq作为键值将irq_data放入该domain的revmap_tree基树中，搭建起通过hwirq快速查询virq的途径。

五、总结

通过以上操作，可以以virq=>从irq_desc_tree中获取该irq的中断描述符结构体desc=> 再从desc中获取irq_data=> 进而获取hwirq；也可以通过hwirq=>从该domain的revmap_tree中获取对应的irq_data=> 从而获取 data->irq。

本文大体讲诉了linux kernel中断映射的解析与映射过程，并没有对具体的代码展开详细的讲解。读者可以根据梳理的框架进行代码详情的研究。

参考文档：

1. Kernel-5.10源码

https://www.kernel.org/pub/

2. 《奔跑吧linux内核》--张天飞