1. 简介


本文介绍ARM 的 Locality-specific Peripheral Interrupts ( LPIs ) 中断 ( 这是 GICv3/v4 中引入的一种中断类型) 与中断转换服务( Interrupt Translation Service, ITS )。


中断是向处理器发出的信号，表明需要处理的事件发生了。中断通常由外设生成。LPIs 通常用于产生Message-Signaled Interrupts (MSIs)中断的外设。由于 LPIs 的状态保存在内存中而不是寄存器中，因此 LPIs 的配置和管理与其他中断类型不同。SPI可以是MSI中断也可以不是，但LPI一定是MSI中断（注：MSI 和 LPI是两个不同概念），由中断转换服务（Interrupt Translation Service , ITS）提供转换。


2. LPIs


LPIs的配置与其他中断类型非常不同，涉及以下内容：

  • GICR
  • ITS


LPIs 总是基于MSI，并且由 ITS 支持。ITS负责接收来自外设的中断，并将它们作为 LPIs 转发到合适的GICR。系统可能包含多个 ITS，在这种情况下，每个 ITS必须单独配置。


注：对 LPIs 的支持是可选的，由GICD_TYPER.LPIS 指示。


3. Redistributors, GICR


GICR使用内存中的Table来存储 LPI 配置信息和每个物理 LPI 的状态。LPI 的配置信息存储在 LPI 配置表中， GICR_PROPBASER指向该表。LPI 配置是全局的，也就是说，所有的 GICR 必须看到相同的配置。通常，一个系统有一个单独的 LPI Configuration Table，由所有的 GICR 共享。LPI 的状态信息也存储在内存中的LPI Pending Table中，由GICR_PENDBASER 指向。每个 GICR都有自己的LPI Pending Table，这些Table不在 GICR 之间共享。


下图展示了三个 GICR 和相关的 LPI 表格：


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3.1 GICR的初始配置


初始化GICR的步骤如下：

  1. 为LPI Configuration Table分配内存，并初始化该表并配置每个LPI。
  2. 在每个GICR中设置GICR_PROPBASER，使其指向LPI Configuration Table。
  3. 为每个GICR的LPI Pending Table分配内存，并初始化每个表的内容。在系统启动时，这通需要将该部分内存清零，即所有LPI处于inactive状态。
  4. 在每个GICR中设置GICR_PENDBASER，使其指向与该GICR相关联的LPI Pending Table。
  5. 在每个GICR中将GICR_CTLR.EnableLPIs设置为1，以启用LPI。


LPI Configuration Table


LPI Configuration Table为每个LPI INTID 分配一个字节。下图显示了该表中条目的格式：


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虽然SPI、PPI和SGI的优先级配置有8个比特位，但上述条目中只有6位用于记录LPI的优先级。LPI的优先级的低两位始终被视为0b00。没有字段用于记录中断分组配置。LPI始终被视为非安全Group 1中断。


LPI Configuration Table的大小取决于LPI的数量。GIC支持的最大INTID数量（SPI、PPI、SGI和LPI）由GICD_TYPER.IDbits指示。LPI Configuration Table仅处理LPI，它们使用的INTID大于8191。因此，为了支持所有可能的LPI，LPI Configuration Table的大小计算如下：

LPI Configuration Table 大小（字节）= 2 ^ (GICD_TYPER.IDbits + 1) – 8192


但是，也可能只支持较小范围的INTID。GICR_PROPBASER还包括一个IDbits字段，指示LPI配置表支持的INTID数量。此数字必须等于或小于GICD_TYPER.IDbits中的值。软件必须为此数量的条目分配足够的内存。在这种情况下，LPI Configuration Table所需的大小如下：

LPI Configuration Table 大小（字节）= 2 ^ (GICR_PROPBASER.IDbits + 1) – 8192

中断控制器必须能够读取为LPI Configuration Table分配的内存，但不会写入此内存区域。


LPI Pending Table


LPI的状态信息存储在内存中。LPI只有两种状态：inactive或pending。


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当中断被PE确认时，中断从pending状态转变为inactive状态。

由于只有两种状态，因此在LPI Pending Table中每个 LPI 只有 1 位。因此，为了支持实现中所有可能的 INTID，LPI Pending Table的大小必须为：

LPI Configuration Table 大小 (字节) = (2 ^ (GICD_TYPER.IDbits + 1)) / 8


与LPI Configuration Table不同，LPI Pending Table的大小没有考虑LPI INTID 是从8192开始。LPI Pending Table的前 1KB（对应于 INTID 0 到 8291 的条目）的内容取决于具体实现。


如同在LPI Configuration Table中描述的那样，可以使用比硬件支持的 INTID范围更小的范围。GICR_PROPBASER.IDBits 控制 INTID 范围的大小。因此，它影响 LPI Configuration Table和 LPI Pending Table的大小。在这种情况下，所需的LPI Pending Table大小如下：

LPI Pending Table 大小  (字节) = (2 ^ (GICR_PROPBASER.IDbits + 1)) / 8


中断控制器必须能够从分配给 LPI Pending Table的内存中读取和写入。通常，当有太多Pending中断需要缓存或进入低功耗状态时，GICR会在内部缓存最高优先级的Pending中断，并将状态信息写入 LPI Pending Table。


在对应的 GICR中启用 LPI 后，软件将不会直接访问LPI Pending Table。


3.2 重新配置LPIs


LPI 配置信息存储在内存中的表中，而不是寄存器中。为了性能原因，GICR会缓存 LPI 配置信息。这意味着当要重新配置一个 LPI时，软件必须：

  1. 更新 LPI Configuration Table中的条目。
  2. 确保更新的全局可见性。
  3. Invalidate GICR中的配置缓存。

使 GICR中缓存失效是通过发出ITS INV 或 INVALL 命令来实现的。INV 命令使特定的中断条目失效，因此当重新配置少量 LPI 时通常使用此命令。INVALL 命令使指定集合中所有中断的条目失效。有关 ITS 命令的更多信息，请参见4.4小节。

如果ITS未实现上述功能，则软件必须通过写 GICR_INVLPIR 或 GICR_INVALLR 寄存器，以使 GICR重新加载中断配置。


4. ITS


一个外设通过向 ITS的 GITS_TRANSLATER写入消息来生成 LPI，该消息为 ITS提供了以下信息：


Event ID (事件ID)

这是写入到 GITS_TRANSLATER的值。事件 ID 标识外设正在发送的中断。事件 ID 可能与 INTID 相同，也可能由 ITS 转换为 INTID。


Device ID (设备 ID)

设备 ID 标识外设。生成设备 ID 的机制由具体实现决定。

ITS处理外设消息，将其转换为可传递到连接的CPU的 INTID。

物理 LPI 被分组到集合中，某个集合中的所有 LPI 都路由到同一个 GICR。软件将 LPI 分配给不同集合，可以将中断从一个PE移动到另一个PE。

ITS使用三种类型的表来处理 LPI 的转换和路由：


Device Table (设备表, DT)

每个 ITS都有一个设备表。设备表将设备 ID 映射到中断转换表。


Interrupt Translation Tables (中断转换表, ITT)

每个设备 ID 或外设都有一个中断转换表（ITT）。ITT 包含特定于外设的事件 ID 和 INTID 之间的映射。它们还包含 INTID 所属的集合。


Collection Table (集合表, CT)

每个 ITS 都有一个集合表。集合表将集合映射到 GICRs。

当外设向 GITS_TRANSLATER 写入消息时，ITS 执行以下操作：

  1. 使用Device ID 从设备表中选择适当的条目。此条目标识要使用的中断转换表。
  2. 使用Event ID 从所选的中断转换表中选择适当的条目。此条目提供 INTID 和 **Collection** ID。
  3. 使用**Collection** ID 从集合表中选择所需的条目，返回路由信息。
  4. 将中断转发到目标 GICR。


下图展示了此过程：


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注：ITS 可选支持多个硬件集合。硬件集合是 ITS 内部保存配置的地方，这样就无需将配置存储在内存中。GITS_TYPER.HCC 报告支持的硬件集合数量。你仍然可以将其视为 Collection Table的一部分，只是不存储在内存中。


4.1 The Command Queue (命令队列)


使用Command Queue来控制ITS。命令队列是一个循环的内存缓冲区，涉及以下三个寄存器：

  • GITS_CBASER：此寄存器指定命令队列的基地址和大小。命令队列必须是 64KB 对齐的，并且大小必须是 4KB 的倍数。命令队列中的每个条目为 32 字节。GITS_CBASER 还包含 ITS在访问命令队列时使用的缓存和共享性设置。
  • GITS_CREADR：此寄存器指向 ITS 将要处理的下一个命令。
  • GITS_CWRITER：此寄存器指向队列中下一个新命令应该被写入的位置。


下图显示了命令队列的简化表示：


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4.2 初始化配置一个ITS


要在系统启动时配置 ITS，软件需执行以下步骤：

  1. 为Device Tables 和Collection Tables分配内存 GITS_BASER[0..7] 寄存器指定了 ITS 设备表和集合表的基地址和大小。软件使用这些寄存器来发现 ITS 支持的表的数量和类型。然后，软件必须分配所需的内存，并将 GITS_BASERn 寄存器设置为指向这个分配的内存。
  2. 为Command Queue分配内存 软件必须为命令队列分配内存，并将 GITS_CBASER 和 GITS_CWRITER 设置为指向此分配内存的起始地址。
  3. 启用 ITS 当表和命令队列被分配后，可以启用 ITS。通过将 GITS_CTLR.Enable 位设置为 1 来完成此操作。一旦设置了 GITS_CTLR.Enable，GITS_BASERn 和 GITS_CBASER 寄存器就变为只读状态。


4.3 设备表和集合表的大小与格式


设备表和集合表的位置和大小是使用GITS_BASERn寄存器进行配置的。在启用ITS之前，软件必须为这些表分配内存并配置GITS_BASERn寄存器。软件可以分配一个单级表或两级表。这由GITS_BASERn.Indirect指定。对两级表的支持是可选的， 如果ITS仅支持单级表，则GITS_BASERn.Indirect为 RAZ/WI。


单级表


对于单级表，分配给ITS的是一个连续的内存块，用于记录映射。在启用ITS之前，软件需要将该内存填充为零。之后，当ITS处理命令队列中的命令时，表会被ITS填充。


下面的图显示了一个单级表。该表是一个连续的内存块，其中GITS_BASERn寄存器指向表的基地址：


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表的大小随着 Device ID 或 Collection ID 的个数而变化，应当根据如下方式计算所需大小：

Size in bytes = 2 ^ ID_width * entry_size

其中，entry_size 是每个表条目的字节数，由 GITS_BASERn.Entry_Size 指定。


在配置 GITS_BASERn 寄存器时，表的大小被指定为页的整数倍。一个页的大小由 GITS_BASERn.Page_Size 控制，可以是 4KB、16KB 或 64KB。因此，上述给出的公式的结果必须向上舍入到下一个整数页面大小。


例如，如果一个系统实现了 8 位的 Device ID，表的每个条目占的字节数为 8，且使用了 4K 的页面大小， 则表大小为

2^8 * 8 = 256 * 8 = 2048 字节 --> 4K（向上舍入到下一个整数页面大小）


两级表


使用两级表，软件分配一个一级表和若干个二级表，如下图所示：


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第一级表由软件填充，每个条目要么指向一个二级表，要么标记为无效。在分配给 ITS之前，必须将二级表填充为零，并在 ITS处理命令队列时由其填充。


在 ITS启用的情况下（GITS_CTLR.Enabled == 1），软件可以分配额外的二级表，并更新相应的一级表条目以指向这些新分配的表。在 ITS 启用状态下，软件不得删除分配或更改现有分配。


每个二级表的大小为一个页面。与单级表一样，页面大小由 GITS_BASERn.Page_Size 配置。因此，它包含（page_size / entry_size）个条目。


每个一级表条目表示（page_size / entry_size）个 ID，并且可以指向一个二级表或标记为无效。任何使用与无效条目对应的 ID 的 ITS 命令都将被丢弃。


第一级表的所需大小可以通过以下公式计算：

Size in bytes = （2 ^ ID_width /（page_size / entry_size））* 8

与单级表一样，第一级表的大小指定为页面数。因此，公式的结果必须向上舍入到下一个整个页面大小。


4.4 添加新命令到Command Queue


要将新命令添加到命令队列，软件必须：

  1. 将新命令写入队列 GITS_CWRITER 指向命令队列中下一个不包含有效命令的条目。软件必须将命令写入此条目，并确保全局可见性。
  2. 更新 GITS_CWRITER 软件必须更新 GITS_CWRITER到下一个不包含新命令的条目。更新 GITS_CWRITER 通知 ITS已添加新命令。软件可以同时向队列添加多个命令，前提是命令队列中有足够的空间，并相应地更新了 GITS_CWRITER。
  3. 等待 ITS 读取命令 软件可以通过轮询 GITS_CREADR 来检查 ITS 是否已读取命令。当 GITS_CWRITER.Offset 等于 GITS_CREADR.Offset 时，ITS 已读取所有命令。或者，可以添加 INT 命令以生成中断，当 ITS 读取完一组命令后发送中断。

ITS 按顺序从命令队列中读取命令。但是，这些命令对 GICR的可见性可能是乱序的。SYNC 命令可以确保先前发送的命令生效。

注：当 GITS_CWRITER 指向 GITS_CREADR 前面的位置时，命令队列已满。软件在尝试添加新命令之前必须检查队列中是否有足够的空间。


4.5 映射一个中断到GICR


每个能够向 ITS 发送中断的外设都有自己的 Device ID。每个 Device ID 都需要有自己的中断转换表（ITT）来保存其 Event ID 到 INTID 的映射关系。软件必须为 ITT 分配内存，然后使用 MAPD 命令将 Device ID 映射到 ITT，如下所示：

MAPD <DeviceID>, <ITT_Address>, <Size>


当外设的Device ID 被映射到一个 ITT后，它可以发送的不同 Event ID 必须被映射到INTID 和 Collections。每个Collection都被映射到一个目标 GICR。可以使用 MAPTI 和 MAPI 命令将 INTID 映射到Collection。当 Event ID 和 INTID 相同时，使用 MAPI 命令，如下所示：

MAPI <DeviceID>, <EventID>, <Collection ID>


当Event ID和INTID不同时，使用MAPTI

MAPTI <DeviceID>, <EventID>, <INTID>, <Collection ID>


通过MAPC命令将Collections映射到GICR

MAPC <Collection ID>, <Target GICR>

目标 GICR的寻址方式取决于 GITS_TYPER.PTA：

  • 当GITS_TYPER.PTA==0 时，通过 ID 指定 GICR，可从 GICR_TYPER.Processor_Number 中读取
  • 当 GITS_TYPER.PTA==1 时，通过其物理地址指定 GICR


示例

一个定时器的 Device ID 为 5，并使用 2 位的 Event ID。我们希望将 Event ID 0 映射到 INTID 8725。为定时器分配的 ITT 的地址是 0x84500000。我们使用集合Collection 3，并将中断传递给 ID 为 7 的 GICR。

此操作的命令序列如下：

MAPD 5, 0x84500000, 2    // Map DeviceID 5 to an ITT
MAPTI 5, 0, 8725, 3      // Map EventID 0 to INTID 8725 and collection 3
MAPC 3, 7                // Map collection 3 to GICR 7
SYNC 7

注：这个例子假设之前没有配置过任何映射，并且 GITS_TYPER.PTA==0。


4.6 中断在GICR之间迁移


可以使用几种不同的技术将中断从一个 GICR移动到另一个 GICR：

  • 重新映射一个 Collection 软件可以通过重新映射整个 collection将所有中断从一个 GICR 移动到另一个 GICR。通常情况下，当连接到 GICR 的处理单元关闭电源时，必须将中断移动到另一个 GICR 。这可以通过以下命令序列完成：

    MAPC <Collection ID>, <RDADDR2>    // Remap collection to new GICR
SYNC <RDADDR2>                     // Ensure visibility of the mapping
MOVALL <RDADDR1>, <RDADDR2>        // Move pending state to new GICR
SYNC <RDADDR1>                     // Ensure visibility of move

    在这个命令序列中，RDADDR1是之前的目标 GICR，RDADDR2是新的目标 GICR。

    如果有多个 collection 指向 RDADDR1，则我们需要多个 MAPC 命令，每 个 collection 一个。这个序列假设所有的 collections 都被重新映射到相同的新目标 GICR。


  • 将一个中断映射到另一个Collection

    可以使用以下命令序列来将单个中断重新映射到不同的collection ：

    MOVI <DeviceID>, <EventID>, <ID of new Collection>
SYNC <RDADDR1>

    在此命令序列中，RDADDR1是最初分配给中断的集合所针对的GICR。


4.7 移除中断映射


要重新映射或删除中断的映射，软件必须执行以下操作：

  1. 禁用该映射的物理INTID的中断。这是在LPI Configuration Table中配置完成的。
  2. 发出DISCARD命令。这会删除中断的映射并清除映射INTID的Pending状态。
  3. 发出SYNC命令并等待命令完成。

命令完成后，不会再将更多中断传递到先前将中断映射到的GICR。


4.8 重映射与移除设备映射


要更改或删除设备的映射，软件必须执行以下操作：

  1. 针对当前映射的每个Event ID，按照4.7小节的步骤进行操作。
  2. 发出MAPD命令以重新映射设备。或者，使用将有效位清除为0的MAPD命令来删除映射。
  3. 发出SYNC命令并等待命令完成。