2. 中断控制器基础：中断控制器的作用与 GIC 架构简介

在嵌入式 Linux 系统中，中断是 CPU 与外部设备（如 GPIO 按键、网络控制器、定时器）进行异步通信的核心机制。中断控制器（Interrupt Controller）作为 CPU 与多个中断源之间的桥梁，负责中断的收集、优先级仲裁、分发和屏蔽。本章将深入剖析中断控制器的基本作用，并重点介绍 ARM 平台最通用的 GIC（Generic Interrupt Controller）架构，为后续设备树中 GPIO 与 IRQ 的绑定打下坚实基础。

2.1 中断控制器的核心作用

中断控制器并非简单的“信号转发器”，它承担着以下关键职责：

• 中断源管理： 管理多个外设中断请求（IRQ）和快速中断请求（FIQ），支持独立使能/禁止每个中断源。
• 优先级仲裁： 当多个中断同时到达时，根据预设的优先级决定哪个中断先被 CPU 处理。
• 中断分发： 在多核（SMP）系统中，将中断路由到指定的 CPU 核心，实现负载均衡。
• 中断类型转换： 将电平触发或边沿触发的中断信号，转换为 CPU 可识别的标准中断信号。
• 中断状态跟踪： 记录每个中断的挂起（Pending）、激活（Active）和完成（Completed）状态。

2.2 GIC 架构概述

GIC（Generic Interrupt Controller）是 ARM 架构下标准的中断控制器规范，从 ARMv7-A 开始广泛使用，并在 ARMv8-A（AArch64）中持续演进。GIC 架构分为多个版本，目前主流的是 GICv2 和 GICv3/GICv4。本课程以 GICv2 为基础进行讲解，因为它在嵌入式 Linux 设备树中最为常见。

2.2.1 GICv2 架构组件

GICv2 由两大逻辑单元组成：

2.2.2 GIC 中断类型

GIC 将中断源分为三种类型，理解这些类型对于设备树中的 interrupts 属性配置至关重要：

• SPI（Shared Peripheral Interrupt）： 共享外设中断。所有 CPU 核心都可以接收的中断，通常用于外设（如 UART、I2C、GPIO 控制器）。中断 ID 范围：32~1019（GICv2）。
• PPI（Private Peripheral Interrupt）： 私有外设中断。每个 CPU 核心独有的中断，例如每个核心的本地定时器、性能监视单元（PMU）。中断 ID 范围：16~31。
• SGI（Software Generated Interrupt）： 软件触发中断。一个 CPU 核心通过写寄存器触发另一个 CPU 核心的中断，用于核间通信（IPI）。中断 ID 范围：0~15。

2.3 GIC 中断处理流程

一个典型的中断从产生到处理完成，经历以下步骤：

1. 中断产生： 外设（如 GPIO 引脚检测到上升沿）向 GIC Distributor 发送中断信号。
2. 优先级仲裁： Distributor 检查该中断的优先级，并与当前正在处理的中断优先级比较。如果新中断优先级更高，则进入下一步。
3. 中断分发： Distributor 根据配置的 CPU 掩码（interrupt-affinity），将中断发送到目标 CPU 的 CPU Interface。
4. CPU 应答： CPU Interface 向 CPU 核心发出 IRQ 信号。CPU 执行中断向量表，读取 GICC_IAR 寄存器获取中断 ID。
5. 中断处理： CPU 根据中断 ID 调用对应的中断服务程序（ISR）。
6. 中断结束： ISR 执行完毕后，CPU 写 GICC_EOIR 寄存器通知 GIC 中断处理完成，GIC 可以继续分发下一个中断。

2.4 GIC 架构内联 SVG 图

下图展示了 GICv2 架构中 Distributor、CPU Interface 与多核 CPU 之间的连接关系，以及中断从外设到 CPU 的流动路径：

2.5 设备树中的 GIC 节点示例

在设备树中，GIC 中断控制器本身也需要被描述为一个节点。以下是一个典型的 GICv2 设备树节点：

gic: interrupt-controller@10400000 {
    compatible = "arm,cortex-a15-gic";
    #interrupt-cells = <3>;
    interrupt-controller;
    reg = <0x0 0x10400000 0x0 0x10000>,  /* Distributor 基地址 */
          <0x0 0x10410000 0x0 0x10000>;  /* CPU Interface 基地址 */
    interrupts = <1 9 0xf04>;            /* 可选：GIC 自身的维护中断 */
};

2.6 本章小结