ARM 通用中断控制器GIC(Generic Interrupt Controller)

Zynq7000系列学习笔记

本文介绍分发器(Distributor)CPU接口 (CPU Interface) 的功能与协作,并提供C语言案例辅助理解。

总结来说,分发器设置中断使能和中断优先级,并将该中断信号发送给CPU,CPU设置可接受的最低优先级,进行中断处理和完成中断通知。

一、分发器和CPU接口的功能

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| | 分发器Distributor | CPU 接口 (CPU Interface) |
| 基地址 | 0xF8F01000 | 0xF8F00100 |
| 功能 | 全局中断管理 | CPU 核心的中断交互 |
| 管理对象 | 所有中断源 (SPI, PPI, SGI) | 连接到单个 CPU 核心的中断 |
| 具体使用 | 中断使能/禁用、优先级配置、路由到 CPU | 中断确认、优先级屏蔽、中断完成通知 |
| 可见性 | 全局唯一(CPU共享) | 每个CPU私有 |

二、工作原理与交互流程 (中断生命周期)

  1. 中断触发(外设 → 分发器)
  • 外设中断源 (如 GPIO / UART / Timer)触发中断信号。
  • 分发器接收:
  • 中断信号到达分发器(0xF8F01000)
  • 分发器检查该中断是否 已使能(GICD_ISENABLERn)
  • 分发器读取该中断的 优先级(GICD_IPRIORITYRn)
  • 分发器根据配置决定是否 转发 给目标 CPU
  1. 中断分发(分发器 → CPU 接口)
  • 路由决策:
  • 分发器检查目标 CPU 接口的状态(是否使能接收中断)
  • 比较 中断优先级 与目标 CPU 当前的 运行优先级(通过 CPU 接口的 GICC_PMR 获取)
  • 若中断优先级 > CPU 当前优先级,分发器将其挂起到目标 CPU 的待处理队列。
  • 信号通知:
  • 分发器通过硬件信号线通知目标 CPU 的 CPU 接口:有高优先级中断等待处理。
  1. CPU 响应 (CPU 接口 → CPU 核心)
  • 中断通知:
  • CPU 接口 (0xF8F00100)收到分发器通知。
  • CPU 接口向 CPU 核心 发送 IRQ/FIQ 中断请求。
  • CPU 核心响应:
  • CPU 核心暂停当前程序,跳转到 中断向量表 入口。
  • 执行中断服务程序 (ISR) 的 入口代码。
  1. 中断处理 (ISR 与 CPU 接口交互)
  • 中断确认:
  • ISR 通过 CPU 接口的 Interrupt Acknowledge Register(GICC_IAR)读取 中断号(INTID)
  • 读取 GICC_IAR 的行为告知 GIC:"CPU 已开始处理此中断"
  • GIC 自动将该中断状态从 Pending 改为 Active
  • 服务中断:
  • ISR 根据 INTID 执行具体的中断服务逻辑(如读取 UART 数据)
  • 中断完成:
  • ISR 结束时,向 CPU 接口的 End of Interrupt Register(GICC_EOIR)写入之前读到的 INTID。
  • 写入 GICC_EOIR 告知 GIC:"此中断处理已完成"
  • GIC 将该中断状态从 Active 改为 Inactive,并允许分发器再次发送此中断(若再次触发)
  1. 中断优先级与抢占
  • 分发器 根据全局中断优先级决定哪些中断可发送给 CPU。
  • CPU 接口 的 GICC_PMR 设置 CPU 可接受的最低优先级(低于此值的中断被屏蔽)
  • 若高优先级中断到达,且当前中断优先级较低,CPU 接口可触发 中断抢占(暂停当前 ISR,转去处理更高优先级中断)。

三、软件编程详细案例

  1. 分发器初始化代码详解
  1. 全局使能分发器

    *(volatile uint32_t *)(GIC_DIST_BASE + 0x000) = 0x1; // GICD_CTLR

  • 作用:启用整个中断分发系统,是整个 GIC 系统的总开关
  • 寄存器:GICD_CTLR(Distributor Control Register)
  • 地址计算:基地址0xF8F01000+偏移量0x000
  • 位设置:
  • Bit 0 = 1:使能中断转发到 CPU 接口
  • Bit 1 = 0:禁用安全扩展
  1. 配置中断优先级

    *(volatile uint32_t *)(GIC_DIST_BASE + 0x400 + (84 * 4/4)) = 0xA0;
    // GICD_IPRIORITYR[21]

  • 作用:设置中断号84的优先级(优先级范围0~255,0最高)
  • 寄存器:GICD_IPRIORITYRn(Interrupt Priority Registers)
  • 地址计算:
  • 优先级寄存器组基偏移:0x400
  • 中断号 84 的偏移:84 * 1(因为每个中断占 1 字节)
  • 实际地址:0xF8F01000 + 0x400 + 84 = 0xF8F01454
  • Zynq-7000 中:0-31是私有中断(PPI)和软件中断(SGI);32-95是共享外设中断(SPI)
  1. 路由到 CPU0

    *(volatile uint32_t *)(GIC_DIST_BASE + 0x800 + (84 * 4/4)) = 0x01;
    // GICD_ITARGETSR[21]

  • 作用:指定中断84发送到 CPU0
  • 寄存器:GICD_ITARGETSRn(Interrupt Processor Targets Registers)
  • 地址计算:0xF8F01000 + 0x800 + 84 = 0xF8F01854
  • 位掩码:0x01表示 CPU0
  • Bit 0 = 1:路由到 CPU0
  • Bit 1 = 0:不路由到 CPU1
  • 注:在双核系统中,必须明确指定中断发送到哪个核心。
  • 注:PPI/SGI 不能配置路由,只有 SPI(32+)可配置
  1. 使能中断号 84

    *(volatile uint32_t *)(GIC_DIST_BASE + 0x100 + (84 / 32)*4) |= (1 << (84 % 32));
    // GICD_ISENABLER

  • 作用:启用特定中断源
  • 寄存器:GICD_ISENABLERn(Interrupt Set-Enable Registers)
  • 地址计算:
  • 使能寄存器组基偏移:0x100
  • 寄存器索引:84 / 32 = 2(第3个寄存器,管理中断64-95)
  • 位位置:84 % 32 = 20
  • 实际地址:0xF8F01000 + 0x100 + 2*4 = 0xF8F01008
  1. CPU 接口初始化代码详解
  1. 设置优先级屏蔽阈值

    *(volatile uint32_t *)(GIC_CPU_BASE + 0x0004) = 0xA0; // GICC_PMR

  • 作用:定义 CPU 处理中断的最低优先级
  • 寄存器:GICC_PMR(Priority Mask Register)
  • 地址:0xF8F00100 + 0x0004 = 0xF8F00104
  • 值说明:0xA0(160)表示:
  • 优先级高于 160 的中断被屏蔽
  • 优先级低于 160 的中断可被处理
  • 防止低优先级中断打断高优先级任务
  1. 使能 CPU 接口

    *(volatile uint32_t *)(GIC_CPU_BASE + 0x0000) = 0x1; // GICC_CTLR

  • 作用:启用 CPU 与 GIC 的交互通道
  • 寄存器:GICC_CTLR(CPU Interface Control Register)
  • 地址:0xF8F00100 + 0x0000 = 0xF8F00100
  • 位设置:
  • Bit 0 = 1:使能中断信号到 CPU
  • Bit 1 = 0:禁用 FIQ(通常用 IRQ)
  • Bit 2 = 0:禁用 ACK 特殊处理
  • 注:不使能CPU接口,即使分发器发送中断,CPU 也不会响应
  1. 中断服务程序 (ISR)
  1. 读取中断号

    uint32_t intid = *(volatile uint32_t *)(GIC_CPU_BASE + 0x000C); // GICC_IAR

  • 作用:获取当前中断 ID 并确认接收
  • 寄存器:GICC_IAR(Interrupt Acknowledge Register)
  • 地址:0xF8F00100 + 0x000C = 0xF8F0010C
  • 读取操作的意义:
  • 获取中断号(低 10 位)
  • 通知 GIC "CPU 已开始处理此中断"
  • 状态转换:GIC 将中断状态从 Pending 改为 Active
  • 注:必须读取此寄存器后才能安全处理中断
  • 注:返回值可能包含其他信息(如 CPU 号),通常 intid & 0x3FF提取 ID
  1. 执行中断处理

    handle_irq(intid); // 用户定义的中断处理函数

  • 应避免阻塞其他中断
  • 不能调用可能阻塞的函数
  • 清除外设中断标志
  1. 通知中断处理完成

    *(volatile uint32_t *)(GIC_CPU_BASE + 0x0010) = intid; // GICC_EOIR

  • 作用:告知 GIC 中断处理已完成
  • 寄存器:GICC_EOIR(End of Interrupt Register)
  • 地址:0xF8F00100 + 0x0010 = 0xF8F00110
  • 注:必须写入从GICC_IAR读取的原始值
  • 必须在中断处理完成后立即执行
  • 此时中断状态从Active转换为Inactive,才能允许相同的中断再次触发