Linux中断子系统domain

随着现代CPU的复杂度加大，外设中断数量增加，实际上系统可能同时需要多个中断控制器进行级联，面对这样的趋势，Linux引入了irq domain这个概念。对于Linux系统中所有的interrupt controller都会形成树状结构，对于每个interrupt controller都可以连接若干个外设的中断请求，interrupt controller会对连接其上的interrupt source进行编号（也就是HW interrupt ID，后面我们叫hirq），但这个编号仅仅限制在本interrupt controller范围内。既然存在hirq，那么在系统软件中， 就存在一个全局统管的编号，这个编号可以定位控制器和控制器中的中断号，我们把这个编号叫做virq（我们在Linux系统中调用API request_irq中需要的irq号  实际上是virq号）。对于中断级联，我们以TI的TiTDA系列为例，如下图：

如上图，该CPU是直接连接在中断控制器GICv3上面的，但是GIC不是直接和设备相连，而是与INTR控制器连接，而INTR控制器又与INTA控制器连接，最后INTA控制器才直接和设备相连。在这里其实就简单的形成了一个简单的树形结构。

注：domain里面的hirq排列可以是树形的也可以是线性的，本文主要说树形的

咋们先看看domain的结构（一个中断控制器就可以看成是一个domain）：

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struct irq_domain {
    struct list_head link;
    const char *name;    // domain的名字
    const struct irq_domain_ops *ops; // 当前domain的处理函数
    void *host_data;   // 存放私有数据
    unsigned int flags;
    unsigned int mapcount;

    /* Optional data */
    struct fwnode_handle *fwnode;  // 和设备树有关系
    enum irq_domain_bus_token bus_token;  // bus标记，用于匹配domain
    struct irq_domain_chip_generic *gc;
#ifdef    CONFIG_IRQ_DOMAIN_HIERARCHY
    struct irq_domain *parent;          // 树形结构的父节点domain
#endif

    irq_hw_number_t hwirq_max;    // hwirq树形（radix tree）支持的最大节点数量
    unsigned int revmap_direct_max_irq; // hwirq和virq 1:1映射支持的最大数量
    unsigned int revmap_size;     // 线性映射支持的最大数量
    struct radix_tree_root revmap_tree;  // radix tree的树根
    struct mutex revmap_tree_mutex;
    unsigned int linear_revmap[];       // 线性映射的数组
}

如上图可知，domain的结构里面基本都是关于hirq相关信息的，因此，我们可以推断domain就是用于管理hirq的（每个domain都有自己的一套hirq），而domain中的ops字段就是用于操作这些hirq的， 下面是domain的操作函数ops的结构：

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struct irq_domain_ops {
    int (*match)(struct irq_domain *d, struct device_node *node,
             enum irq_domain_bus_token bus_token); // 用于匹配domain，优先级低于selec
    int (*select)(struct irq_domain *d, struct irq_fwspec *fwspec,
              enum irq_domain_bus_token bus_token); // 用于匹配domain，优先级高于match
    int (*map)(struct irq_domain *d, unsigned int virq, irq_hw_number_t hw); // 线性映射
    void (*unmap)(struct irq_domain *d, unsigned int virq);
    int (*xlate)(struct irq_domain *d, struct device_node *node, // 通过参数,线性hirq获取
             const u32 *intspec, unsigned int intsize,
             unsigned long *out_hwirq, unsigned int *out_type);
#ifdef    CONFIG_IRQ_DOMAIN_HIERARCHY
    /* extended V2 interfaces to support hierarchy irq_domains */
    int (*alloc)(struct irq_domain *d, unsigned int virq,//树形节点申请,映射（只有树形才有这个）
             unsigned int nr_irqs, void *arg);
    void (*free)(struct irq_domain *d, unsigned int virq,
             unsigned int nr_irqs);
    int (*activate)(struct irq_domain *d, struct irq_data *irqd, bool reserve); // 中断激活
    void (*deactivate)(struct irq_domain *d, struct irq_data *irq_data);
    int (*translate)(struct irq_domain *d, struct irq_fwspec *fwspec, //通过参数对树形hirq获取
             unsigned long *out_hwirq, unsigned int *out_type);
#endif
}

如上图，对于domain的hirq，我们可以看到结构里面有查询分配hirq，以及hirq与virq的映射的函数。现在，我们已经了解了domain的数据结构，下面是一个中断控制器注册一个domain的流程:

irq_domain_add_hierarchy
        irq_domain_create_tree
             __irq_domain_add
                  list_add(&domain->link, &irq_domain_list)

可见最终所有的domain都添加到irq_domain_list链表当中的。但是我们知道，我们调用request_irq用的是virq号，而并不是hirq，因为hirq号不是唯一的，每个domain都可能会存在一个相同的hirq，因此Linux才增加的virq编号，这个编号是独立的且唯一。现在domain已经注册好了，但是hirq和virq直接的关系还没有建立起来，因此我们还不能用virq来注册中断，如下是把hirq和virq做一个映射函数调用：

irq_create_fwspec_mapping(传入domain和参数)
    irq_find_matching_fwspec
        domain->ops->match // 查看当前domain和参数指定的domain是否匹配
    irq_domain_translate
        domain->ops->translate // 通过参数申请一个hirq号
    irq_find_mapping // 通过hirq去查询，这个hirq是否已经映射，如果已经映射，就返回virq
    irq_domain_alloc_irqs // hirq没有映射，通过该函数去申请一个virq并映射
        __irq_domain_alloc_irqs
            irq_domain_alloc_descs // 申请一个irq_desc描述
            irq_domain_alloc_irq_data // 为virq设置irq_data树，该virq会为它所在的domain的父domain，一直到root domain添加irq_data
            irq_domain_alloc_irqs_hierarchy // 向domain申请hirq，并和virq做映射
                domain->ops->alloc
                    irq_domain_set_hwirq_and_chip // 将hirq与virq的irq_data关联
            irq_domain_insert_irq//将virq信息插入到每一级irq_data里面（一个domain对应一个irq_data）

如上图，当驱动调用irq_create_fwspec_mapping函数的时候，该函数会通过参数在指定的domain里面的申请hirq，然后申请一个virq，并将virq和hirq关联起来。下图是，irq_data的结构图：

如上图所示，在domain里面利用linear_revmap（线性）或者revmap_tree（radix tree）来保存irq_data结构，在接收到中断的时候，我们只知道hirq号和对应的domain，因此可以以hirq为key值从revmap_tree或者linear_revmap当中获取到irq_data数据结构；当我们调用request_irq的时候，只填入了virq，因此也可以通过virq做为key在irq_desc_tree或者irq_desc[]数组中获取到irq_desc描述，从而获取到这个描述的irq_data。irq_data包含irq_chip（中断控制屏蔽掩码，设置触发方式等函数）、virq（这个值和该irq_data的父节点parent_data（irq_data）的virq的值相同），hwirq(每个irq_data的hwirq是不同的，对应不同的domain内部编号)、domain（指向当前irq_data所在的domain）、chip_data(指向当前irq_data所在domain的私有数据)、parent_data(指向irq_data的父节点，这个父节点存放父domain相关信息)。

注：linear_revmap和revmap_tree是domain结构里面的变量，每个domain都有，用于保存hirq与irq_data的对应关系；irq_desc_tree和irq_desc[]是全局变量，用于保存irq_desc结构的链表或者树。

通常在ARMv8体系结构中，中断处理的流程，如下图：

如上图，我们这个处理流程是el1模式的，在el1模式的时候，汇编级别的共用中断函数为el1_irq。图中我们可以看见几个箭头指示的点，1、handle_arch_irq；2、desc->handle_irq；3、irqaction->handler。我们知道，通常ARM体系结构的CPU都和GIC中断控制器相连，详细《ARM中断控制器-GICv2》，因此，handle_arch_irq这个全局函数指针，是有通用的中断控制器GIC驱动设置的（GIC驱动调用set_handle_irq函数设置），这样CPU上的所有异常中断都经过GIC的回调函数处理。GIC的这个回调函数gic_handle_irq（就是handle_arch_irq），负责mask中断和eoi中断（eoi就是ack控制器）。在这个回调函数里面，我们可以通过寄存器值获取到当前控制的那个中断号（该domain的hirq）触发了中断，然后通过hirq可以获取到对应的virq，从而获取到irq_desc描述，最后调用irq_desc描述的handle_irq来处理该中断。由图中，我们还看到handle_irq这个函数其实也是注册的，但是为了方便统一，这个回调通常都是gic驱动为每个中断注册一个统一的回调函数（handle_fasteoi_irq）;handle_fasteoi_irq这个函数支持中断共享，然后依次调用挂在irq_desc下面的irqaction结构中的handle函数（玩家每调用依次request_irq就会在对应的virq上增加一个irqaction）。

注：irq_desc是一个virq对应的描述结构体，每个virq对应一个该结构。在irq_desc结构体里面有irq_data和irqaction变量，一个用于存放与当前virq映射的hirq信息，另一个用于存放该virq的中断回调处理函数。nr_irqs全局变量保存当前支持最大的中断数（可以通过irq_expand_nr_irqs函数扩展）

参考：<ARMv7 cortex-A 体系结构介绍>，https://www.cnblogs.com/arnoldlu/p/7599575.html