第一章 中断系统入门：ARM Cortex-A系列中断控制器（GIC）基础、U-Boot中的中断向量表
各位同学，咱们今天聊聊中断。说实话，中断这玩意儿，是嵌入式系统的灵魂之一。你想想看，没有中断，CPU就得轮询——那效率得多低啊。我早年做第一个ARM项目时，就因为中断没配好，系统跑起来跟老牛拉车似的。后来才明白，搞懂GIC和中断向量表，是U-Boot稳定性的基石。
1.1 ARM Cortex-A中断控制器：GIC是个啥？
GIC，全称Generic Interrupt Controller。说白了，它就是CPU和外设之间的一个“总机”。外设有事要报告，先打给GIC，GIC再决定要不要转给CPU。
ARM Cortex-A系列用的GIC，目前主流是GICv2和GICv3。咱们U-Boot里，绝大多数平台还在用GICv2。为什么？因为简单、够用。我建议你先把GICv2吃透，v3无非是多了一些虚拟化和安全扩展。
核心要点：GIC负责中断的优先级判断、分发和屏蔽。它把中断分为三类：
- SPI（共享外设中断）：所有核都能收到，比如网卡、定时器。
- PPI（私有外设中断）：每个核独享，比如每个核自己的本地定时器。
- SGI（软件生成中断）：一个核写给另一个核，用于核间通信。
我在项目中遇到过一个问题：两个核同时收到了同一个SPI中断，结果处理函数里没做互斥，直接导致数据错乱。嗯，这里要注意——SPI虽然所有核都能收，但你得在软件里指定哪个核来处理，否则就是给自己挖坑。
1.2 GICv2的寄存器模型
GICv2由两个主要模块组成：Distributor（分发器）和CPU Interface（CPU接口）。Distributor负责全局中断管理，CPU Interface负责和具体某个核打交道。
咱们直接看几个关键寄存器：
| 寄存器 | 偏移地址 | 作用 |
|---|---|---|
| GICD_CTLR | 0x0000 | Distributor控制寄存器，使能/禁用整个GIC |
| GICD_ISENABLERn | 0x0100 + 4*n | 中断使能寄存器组，每个bit对应一个中断ID |
| GICD_ICPENDRn | 0x0280 + 4*n | 中断清除挂起寄存器，用于取消一个挂起的中断 |
| GICC_IAR | 0x000C | CPU接口的中断确认寄存器，读它就知道是哪个中断来了 |
| GICC_EOIR | 0x0010 | 中断结束寄存器，处理完中断后写它，告诉GIC我搞定了 |
我个人习惯，初始化GIC时先关掉Distributor，配好所有中断的优先级和目标核，最后再打开。顺序错了，容易出一些莫名其妙的问题。
小技巧：调试GIC时，可以用GICD_ISPENDRn寄存器来软件触发一个中断。这样不用接外设，就能验证你的中断处理流程通不通。我曾经靠这招，半小时定位了一个中断丢失的bug。
1.3 U-Boot中的中断向量表
中断向量表，就是一张“地址表”。CPU收到中断后，硬件自动跳转到这张表里对应的地址去执行。ARM Cortex-A的向量表，从地址0x00000000开始，每个向量占4个字节。
标准的向量表布局是这样的：
0x00000000: 复位向量 (Reset)
0x00000004: 未定义指令向量 (Undefined Instruction)
0x00000008: 软件中断向量 (SWI)
0x0000000C: 预取中止向量 (Prefetch Abort)
0x00000010: 数据中止向量 (Data Abort)
0x00000014: 保留
0x00000018: IRQ中断向量 (IRQ)
0x0000001C: FIQ快速中断向量 (FIQ)
U-Boot里，中断向量表通常放在start.S里。你打开arch/arm/cpu/armv7/start.S，会看到类似这样的代码：
_start:
b reset
ldr pc, _undefined_instruction
ldr pc, _software_interrupt
ldr pc, _prefetch_abort
ldr pc, _data_abort
ldr pc, _not_used
ldr pc, _irq
ldr pc, _fiq
注意看，复位向量用的是b跳转，其他向量用的是ldr pc。为什么？因为b跳转有范围限制（±32MB），而ldr pc可以从任意地址加载。U-Boot可能会被重定位到内存的高地址，用b跳复位向量没问题（因为复位后CPU还在低地址），但其他中断向量必须用ldr pc，否则一跳就飞了。
警告：千万不要在U-Boot里直接写中断处理函数时，把向量表放在DDR里。DDR在初始化之前是不可用的。我见过有人把向量表放在0x1000，结果DDR还没配好，一进中断直接死机。正确的做法是：向量表放在SRAM或ROM里，等DDR初始化完成后，再通过CP15协处理器把向量表基址重定位到DDR。
1.4 U-Boot中如何注册中断处理函数
U-Boot不像Linux那样有复杂的中断子系统。它很简单——你直接在向量表里放一个跳转指令，指向你的处理函数就行。
举个例子，假设你要注册一个IRQ处理函数：
void irq_handler(void)
{
unsigned int irq_num;
// 读取中断号
irq_num = readl(GICC_BASE + GICC_IAR);
// 处理中断
printf("IRQ %d occurred!\n", irq_num);
// 写EOIR，告诉GIC处理完毕
writel(irq_num, GICC_BASE + GICC_EOIR);
}
然后在start.S里，把_irq指向这个函数：
_irq: .word irq_handler
就这么简单。但要注意，U-Boot默认是关中断的。你需要在board_init或arch_early_init_r里，手动打开GIC和CPU的IRQ使能位。
避坑指南：我曾经在U-Boot里注册了一个定时器中断，结果每次进入中断后，系统就卡死了。查了半天，发现是中断处理函数里调用了printf，而printf内部又用了UART，UART的发送完成中断优先级比定时器高，导致嵌套中断把栈搞崩了。解决方案：中断处理函数里尽量别用printf，用简单的寄存器操作代替。
1.5 中断使能与屏蔽的流程
在U-Boot里使能一个中断，大致分三步：
- 配置GIC：设置中断类型、优先级、目标核。
- 使能中断：写GICD_ISENABLERn对应bit。
- 打开CPU的IRQ：修改CPSR寄存器的I位，清除屏蔽。
代码示例：
void enable_irq(int irq_num)
{
// 1. 设置中断为level触发，优先级0x80，目标核0
writel(0x80800000, GICD_BASE + GICD_ICFGR(irq_num / 16));
writel(0x80, GICD_BASE + GICD_IPRIORITYR(irq_num));
writel(0x01, GICD_BASE + GICD_ITARGETSR(irq_num));
// 2. 使能中断
writel(1 << (irq_num % 32), GICD_BASE + GICD_ISENABLER(irq_num / 32));
// 3. 打开CPU IRQ
asm volatile("cpsie i" : : : "memory");
}
屏蔽中断就反过来：写GICD_ICENABLERn，然后执行"cpsid i"。
嗯，这里有个细节——GICD_ITARGETSR寄存器在GICv2里是每个中断占一个字节，但如果你用的是多核，这个字节的bit[7:4]表示目标核掩码。单核系统直接写0x01就行。
1.6 本章知识体系总览
下面这张图，是我画的中断系统核心逻辑。你看一眼，就能把GIC和向量表的关系串起来：
从这张图你能看到，外设产生中断后，信号经过GIC Distributor做优先级判断，再通过CPU Interface送给CPU。CPU检查CPSR的I位——如果中断没被屏蔽，就自动跳转到向量表里对应的地址，然后执行你的处理函数。处理完别忘了写EOIR，否则GIC以为你还在忙，不会再发下一个中断。
我的经验：刚开始学GIC时，最容易犯的错就是忘记写EOIR。你想想看，中断处理完了，你不告诉GIC，GIC就一直等着。结果就是——系统只响应一次中断，后面全丢了。我建议你在写中断处理函数时，第一件事就是读IAR保存中断号，最后一件事就是写EOIR。养成这个习惯，能省很多调试时间。
好了，这一章的内容就到这儿。GIC和向量表是中断系统的地基，地基打不牢，后面盖什么楼都得塌。下一章咱们会深入U-Boot的中断初始化流程，看看start.S里到底是怎么把GIC和向量表串起来的。