📚 课程目录第3章中断控制器基础

3. 中断控制器基础

在 ARM 多核系统中，通用中断控制器（GIC）是连接外设中断源与 CPU 核心的硬件中枢。GIC 负责中断的优先级仲裁、分发、亲和性路由以及虚拟化支持。理解 GIC 架构是适配 PREEMPT_RT 中断线程化与 CPU 亲和性绑定的前提。

3.1 GIC 架构演进与核心组件

GIC 从 v2 发展到 v4，主要变化在于对多核、虚拟化以及大规模中断的支持。其核心组件始终包含两个逻辑单元：Distributor（分发器）和CPU Interface（CPU 接口）。

  关键概念： Distributor 负责全局中断使能、优先级分组和路由决策；CPU Interface 负责将中断信号实际递交给指定的 CPU 核心。

特性	GIC v2	GIC v3	GIC v4
中断线数量	最多 1020 个 SPI	几乎无限（通过 ITS）	同 v3，增强虚拟中断
CPU 接口访问	内存映射（MMIO）	系统寄存器（ICC_*）	同 v3
虚拟化支持	基础（虚拟 CPU 接口）	增强（vLPI）	直接注入虚拟中断（doorbell）
亲和性路由	8 位 CPU ID	16 位亲和性（Aff3/Aff2/Aff1/Aff0）	同 v3
典型应用	Cortex-A7/A9/A15	Cortex-A53/A72/A76	虚拟化场景（KVM）

3.2 中断类型：SPI / PPI / SGI / LPI

GIC 将中断源划分为四种类型，每种类型在路由、亲和性和使用场景上存在显著差异。

SPI（Shared Peripheral Interrupt，共享外设中断）：中断号范围 32~1019（v2）或 32~4095（v3）。可路由到任意一个或一组 CPU 核心，常用于外设（如网卡、USB 控制器）。
PPI（Private Peripheral Interrupt，私有外设中断）：中断号范围 16~31。每个 CPU 核心独享，用于本地定时器、性能监视单元等。
SGI（Software Generated Interrupt，软件生成中断）：中断号范围 0~15。通过写 GICD_SGIR 或 ICC_SGI1R 寄存器触发，用于核间通信（IPI）。
LPI（Locality-specific Peripheral Interrupt，局部外设中断）：GIC v3/v4 引入，中断号从 8192 开始。基于消息的中断，通过 ITS（中断翻译服务）路由，支持大量中断源。

类型	中断号范围	路由目标	触发方式	典型用途
SPI	32 ~ 1019 (v2) / 32 ~ 4095 (v3)	任意 CPU 或 CPU 组	电平/边沿	外设中断
PPI	16 ~ 31	固定的私有 CPU	电平/边沿	本地定时器、PMU
SGI	0 ~ 15	指定 CPU 或所有 CPU	边沿（软件触发）	核间通信（IPI）
LPI	≥ 8192	通过 ITS 路由	消息（电平）	PCIe MSI/MSI-X

PREEMPT_RT 关联： 在实时系统中，SPI 通常被配置为线程化中断，而 PPI（如 arch_timer）往往保留为快速中断（IRQF_NO_THREAD）以保证调度器时钟精度。SGI 用于 IPI 时，必须考虑其优先级对实时任务抢占延迟的影响。

3.3 中断亲和性与路由机制

中断亲和性（Affinity）决定了中断由哪个 CPU 核心处理。合理的亲和性配置可以避免缓存抖动、提高实时任务的确定性。

3.3.1 GIC v2 亲和性路由

GIC v2 通过 GICD_ITARGETSRn 寄存器设置 SPI 的目标 CPU。每个寄存器对应 4 个中断，每个中断使用 8 位位图表示目标 CPU（bit0~bit7 对应 CPU0~CPU7）。

/* GIC v2 SPI 亲和性设置示例 */
#define GICD_ITARGETSR(n)   (0x1800 + (n) * 4)

/* 将中断 42 路由到 CPU0 和 CPU2 */
uint32_t target = 0x05;  /* bit0=CPU0, bit2=CPU2 */
writel(target, GICD_ITARGETSR(42 / 4));

3.3.2 GIC v3/v4 亲和性路由

GIC v3 使用 GICD_IROUTERn 寄存器，支持 16 位亲和性值（Aff3:Aff2:Aff1:Aff0），可以精确路由到特定物理 CPU 或 CPU 组。路由模式包括：

指定 CPU：写入目标 CPU 的 MPIDR 值。
任意 CPU：写入 0xFFFFFFFF，由 GIC 自动选择。
中断组：通过 GICD_ICFGRn 配置组 0（安全）或组 1（非安全）。

/* GIC v3 SPI 亲和性设置示例 */
#define GICD_IROUTER(n)     (0x6000 + (n) * 8)

/* 将中断 100 路由到 CPU1 (Aff0=1) */
uint64_t aff = 0x00000001;  /* MPIDR: Aff0=1 */
writeq(aff, GICD_IROUTER(100));

3.4 中断优先级与抢占

GIC 支持 16~256 级中断优先级（v2 为 16 级，v3/v4 为 256 级）。优先级数值越小，优先级越高。PREEMPT_RT 内核依赖优先级机制实现中断线程化后的实时调度。

注意： 在 GIC v3 中，每个 Redistributor 维护独立的优先级掩码寄存器（ICC_PMR）。当 CPU 核心设置 PMR 为 0xF0 时，所有优先级低于 0xF0 的中断将被屏蔽。实时任务应确保关键中断的优先级高于 PMR 阈值。

/* 设置 CPU 接口优先级掩码（GIC v3 系统寄存器） */
asm volatile("msr ICC_PMR_EL1, %0" : : "r" (0xF0));

/* 读取当前优先级掩码 */
uint32_t pmr;
asm volatile("mrs %0, ICC_PMR_EL1" : "=r" (pmr));

3.5 中断虚拟化：GIC v4 的 Direct Virtual Interrupt

GIC v4 引入了 直接虚拟中断注入 机制，允许物理外设直接向虚拟机注入中断，无需 VMM 介入。其核心是 Doorbell 机制：

物理中断到达时，ITS 将中断转换为虚拟中断（vLPI）。
通过 Doorbell 机制通知虚拟机 CPU 接口。
虚拟机直接读取中断信息，减少 VM-Exit 次数。

特性	GIC v3 虚拟化	GIC v4 虚拟化
中断注入方式	VMM 写 List 寄存器	硬件直接注入（Doorbell）
VM-Exit 次数	每次中断至少 1 次	0 次（理想情况）
中断延迟	较高（VMM 调度影响）	接近物理中断
适用场景	通用虚拟化	实时虚拟化、NFV

  PREEMPT_RT 与虚拟化： 在实时虚拟化场景中，GIC v4 的直接注入机制可以显著降低虚拟中断延迟，配合 PREEMPT_RT 的线程化中断模型，能够为虚拟机内的实时任务提供接近裸机的确定性。

3.6 本章小结

GIC v2/v3/v4 架构为 ARM 多核系统提供了灵活的中断管理能力。理解 SPI/PPI/SGI/LPI 四种中断类型的路由特性，掌握亲和性寄存器的配置方法，是后续实现 PREEMPT_RT 中断线程化与 CPU 隔离的基础。在下一阶段，我们将深入分析中断控制器与 PREEMPT_RT 线程化模型的适配细节。