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扩展MPSoC中断

付汉杰 hankf@xilinx.com

目录

• 扩展MPSoC中断
• 1. MPSoC的中断处理介绍
• 2. 扩展PL中断
• 3. 扩展AXI Intc中断
  • 3.1. AXI Intc PL连接
  • 3.2. AXI Intc Device Tree
  • 3.3. AXI Intc外设的Device Tree
• 4. 扩展MIO中断
  • 4.1. GPIO中断控制器
  • 4.2. 外设使用GPIO中断控制器
• 5. 检查Linux中断信息

1. MPSoC的中断处理介绍

MPSoC是带ARM处理器和FPGA(PL)的SoC，包含4核A53及其常用外部模块（PS）。A53（PS）使用Arm GIC-400，属于GICv2架构。如果想了解GIC-400的具体细节，请参考文档APU GIC: CoreLink GIC-400 Generic Interrupt Controller, DDI 0471B, r0p1。

MPSoC的A53（PS）的中断细节，在Xilinx的UG1085的Table 13‐1: System Interrupts部分做了详细介绍。

需要注意的是，UG1085的Table 13‐1描述的是芯片的内部连线，是硬件中断号，和Linux Kernel使用的软件中断号（逻辑中断号）有区别。有的SOC只有一个中断控制器，有的SOC有多个串联/并联的中断控制器。Linux Kernel为了各种处理复杂的中断控制器设计，并给中断提供统一的API，在内部使用统一编址的的软件中断号。同时，GIC的Linux Kernel驱动内部有一个表，用于转换硬件中断号和软件中断号。这样的好处是，即使不同SoC系统里有不同的中断控制器结构，驱动程序也可以忽略这些细节，使用统一的API，比如platform_get_irq，从Device Tree里获取中断号，并向Linux Kernel注册驱动程序的中断处理程序。另外，设备的Device Tree里的中断号是局部的，在它所属的中断控制器里保持唯一即可。Linux Kernel使用的软件中断号，是整个Linux Kernel系统的，需要在Linux Kernel范围内保持唯一。
更多信息可以参考Linux Kernel代码，以及Linux kernel的中断子系统之（二）：IRQ Domain介绍。

MPSoC的Device Tree的软件中断号，比UG1085的Table 13‐1提供的硬件中断号小32。这是因为A53内部的中断号0-31是私有中断。
以GEM0为例，UG1085的Table 13‐1提供的硬件中断号是89，Device Tree里的设备号是0x39（57），驱动程序里使用platform_get_irq(pdev, 0)获取软件中断号。

VCU TRD 2020.2基于zcu106_llp2_xv20的PetaLinux工程里的GEM0的中断信息：

		ethernet@ff0b0000 {
			compatible = "cdns,zynqmp-gemcdns,gem";
			interrupt-parent = <0x04>;
			interrupts = <0x00 0x39 0x04 0x00 0x39 0x04>;
		};

UG1085的Table 13‐1里GEM0的硬件中断号

UG1085的Table 35‐6: PS-PL Interrupts Summary，使用的是Device Tree里的软件中断号。

需要更多信息，可以参考MPSoC Device tree interrupt number for PL-PS interrupt, Zynq-7000 mapping irq number into device tree value。

2. 扩展PL中断

在FPGA(PL)部分，可以的扩展很多外部设备，比如串口、I2C、Can等。A53（PS）为PL的外部设备预留了16个中断，相关描述如下。

PS-PL Interrupts
The interrupts from the processing system I/O peripherals (IOP) are routed to the PL. In the 
other direction, the PL can asynchronously assert 16 interrupts to the PS. These interrupts 
are assigned a priority level routed to interrupt controllers which aggregate and route them 
to appropriate processor. Additionally, FIQ/IRQ interrupts are available which are routed 
directly to the private peripheral interrupt unit of the interrupt controller. Table 35-6 
summarizes the interrupts.

PL到A53（PS）的外部设备预留了16个中断，在Table 13‐1有如下表述。

VCU TRD 2020.2设计里，使用了很多PL中断。以Video Phy为例，在工程zcu106_llp2_xv20里，它连接到了PL中断的第3位（从0开始计数），对应的硬件中断号是124，减去32后是92(0x5c)。

在以zcu106_llp2_xv20为硬件工程编译的PetaLinux工程里，Video Phy的中断信息如下，确实是0x5c。

	vid_phy_controller@a0130000 {
		compatible = "xlnx,vid-phy-controller-2.2xlnx,vid-phy-controller-2.1";
		interrupt-names = "irq";
		interrupt-parent = <0x04>;
		interrupts = <0x00 0x5c 0x04>;

	};

3. 扩展AXI Intc中断

有时候，PL-PS的中断还不够用。这时可以使用Xilinx的axi_intc（AXI Interrupt controller）做扩展。Xilinx Wiki网站上的文章Cascade Interrupt Controller support in DTG有详细描述。

总结起来，有下面三步。

3.1. AXI Intc PL连接

在PL设计里添加axi_intc（AXI Interrupt controller），把axi_intc的中断输出连接到GIC的PL中断输入，把其它外设的中断输出连接到axi_intc的中断输入。

3.2. AXI Intc Device Tree

然后在Device Tree里，声明axi_intc的输出在GIC的中断号。

axi_interrupt-controller {
interrupt-parent = "gic"
interrupts = <0 89 1>;
}

3.3. AXI Intc外设的Device Tree

外设的Device Tree里，需要声明interrupt-parent是axi_intc，并声明它在axi_intc内部的中断号。interrupt-parent后面的字符串，是Device Tree里axi_intc里的标号。如果有多个axi_intc，每个axi_intc的标号（Label）不一样。每个外设的Device Tree里，需要指定自己对应的axi_intc的标号（Label）。

axi_gpio {
interrupt-parent = "axi_intc";
interrupts = <0 1>;
}

axi_intc的文档，也可以参考 Xilinx Interrupt Controller 。

4. 扩展MIO中断

下面整合之前的文章，通过MIO接入外设中断。

Zynq-7000和MPSoC有很多MIO管脚。如果外设有中断，也可以通过MIO连接中断。这时候，MIO作为GPIO控制器，加载GPIO驱动。下面的描述中，GPIO就是MIO对应的GPIO设备。

4.1. GPIO中断控制器

按下列模式，在GPIO的设备树里声明为中断控制器

&gpio0 {
#interrupt-cells = <2>;
interrupt-controller;
};

GPIO的中断说明，在Linux的文件Documentation/devicetree/bindings/gpio/gpio-zynq.txt里。主要内容如下：

- interrupt-controller   : Marks the device node as an interrupt controller.
- #interrupt-cells : Should be 2.  The first cell is the GPIO number.
                       The second cell bits[3:0] is used to specify trigger type and level flags:
                           1 = low-to-high edge triggered.
                           2 = high-to-low edge triggered.
                           4 = active high level-sensitive.
                           8 = active low level-sensitive.

4.2. 外设使用GPIO中断控制器

外设的设备树里，添加下列行，声明gpio0为自己的中断控制器，并声明对应的MIO引脚和中断内心。

touchscreen@0 {
interrupt-parent = <&gpio0>;
interrupts = <52 2>; /* MIO 52, falling edge */
};

5. 检查Linux中断信息

Linux在/proc/interrupts文件里，提供了系统的中断信息。使用命令“cat /proc/interrupts”，可以显示软件中断号、中断在各CPU发生的次数、中断所属中断控制器名称、硬件中断号，驱动程序名称。
读“/proc/interrupts”的内容时，会调用kernelirqProc.c中的函数int show_interrupts(struct seq_file *p, void *v)。

下面是一个例子。

root@zcu106_vcu_llp2_nv16:~# cat /proc/interrupts
           CPU0       CPU1       CPU2       CPU3
  3:      18945       9421      13324      23628     GICv2  30 Level     arch_timer
  6:          0          0          0          0     GICv2  67 Level     zynqmp_ipi
 12:          0          0          0          0     GICv2 155 Level     axi-pmon, axi-pmon
 13:          0          0          0          0     GICv2 156 Level     zynqmp-dma
 14:          0          0          0          0     GICv2 157 Level     zynqmp-dma
 15:          0          0          0          0     GICv2 158 Level     zynqmp-dma
 16:          0          0          0          0     GICv2 159 Level     zynqmp-dma
 17:          0          0          0          0     GICv2 160 Level     zynqmp-dma
 18:          0          0          0          0     GICv2 161 Level     zynqmp-dma
 19:          0          0          0          0     GICv2 162 Level     zynqmp-dma
 20:          0          0          0          0     GICv2 163 Level     zynqmp-dma
 21:          0          0          0          0     GICv2 164 Level     Mali_GP_MMU, Mali_GP, Mali_PP0_MMU, Mali_PP0, Mali_PP1_MMU, Mali_PP1
 22:          0          0          0          0     GICv2 109 Level     zynqmp-dma
 23:          0          0          0          0     GICv2 110 Level     zynqmp-dma
 24:          0          0          0          0     GICv2 111 Level     zynqmp-dma
 25:          0          0          0          0     GICv2 112 Level     zynqmp-dma
 26:          0          0          0          0     GICv2 113 Level     zynqmp-dma
 27:          0          0          0          0     GICv2 114 Level     zynqmp-dma
 28:          0          0          0          0     GICv2 115 Level     zynqmp-dma
 29:          0          0          0          0     GICv2 116 Level     zynqmp-dma
 31:        144          0          0          0     GICv2  95 Level     eth0, eth0
 33:        121          0          0          0     GICv2  49 Level     cdns-i2c
 34:        140          0          0          0     GICv2  50 Level     cdns-i2c
 35:          0          0          0          0     GICv2  42 Level     ff960000.memory-controller
 36:          0          0          0          0     GICv2  57 Level     axi-pmon, axi-pmon
 37:         43          0          0          0     GICv2  47 Level     ff0f0000.spi
 38:          0          0          0          0     GICv2  58 Level     ffa60000.rtc
 39:          0          0          0          0     GICv2  59 Level     ffa60000.rtc
 40:          0          0          0          0     GICv2 165 Level     ahci-ceva[fd0c0000.ahci]
 41:        232          0          0          0     GICv2  81 Level     mmc0
 42:        133          0          0          0     GICv2  53 Level     xuartps
 44:          0          0          0          0     GICv2  84 Edge      ff150000.watchdog
 45:          0          0          0          0     GICv2  88 Level     ams-irq
 46:         12          0          0          0     GICv2 154 Level     fd4c0000.dma
 47:          0          0          0          0     GICv2 151 Level     fd4a0000.zynqmp-display
 48:          0          0          0          0     GICv2 122 Level     xilinx_framebuffer
 49:          0          0          0          0     GICv2 141 Level     xilinx_framebuffer
 50:          0          0          0          0     GICv2 142 Level     xilinx_framebuffer
 51:          0          0          0          0     GICv2 143 Level     xilinx_framebuffer
 52:          0          0          0          0     GICv2 123 Level     xilinx-hdmi-rx
 53:          0          0          0          0     GICv2 121 Level     xilinx_framebuffer
 54:          1          0          0      42423     GICv2 125 Level     xilinx-hdmitxss
 55:          0          0          0      42426     GICv2 127 Level     xlnx-mixer
 56:         81          0          0          0     GICv2 126 Level     a00d0000.i2c
 57:          0          0          0          0     GICv2 139 Edge      a00d1000.sync_ip
 58:          4          0          0          0     GICv2 128 Level     a0200000.al5e, a0220000.al5d
 59:         16          0          0          0     GICv2 124 Level     xilinx-vphy
 60:          0          0          0          0     GICv2  97 Level     xhci-hcd:usb1
IPI0:      2763       1869       2597       1312       Rescheduling interrupts
IPI1:        21         26         19         36       Function call interrupts
IPI2:         0          0          0          0       CPU stop interrupts
IPI3:         0          0          0          0       CPU stop (for crash dump) interrupts
IPI4:         0          0          0          0       Timer broadcast interrupts
IPI5:         0          0          0          0       IRQ work interrupts
IPI6:         0          0          0          0       CPU wake-up interrupts

从上面打印信息，也可以看到硬件中断号、软件中断号（逻辑中断号）不一样。

目录/proc/irq下面会为每个rq创建一个以irq编号为名字的子目录。每个子目录最重要的文件是smp_affinity。通过更改smp_affinity的值，可以更改处理中断的CPU。比如下面缺省情况下，读出来中断59的smp_affinity是f，对应2进制1111，表示四个处理器都能处理中断59。后来执行命令“echo 2 > /proc/irq/59/smp_affinity”，把其改为2，就只有CPU-1能处理中断59。

root@zcu106_vcu_llp2_nv16:~# ls /proc/irq/48 -l
total 0
-r--r--r--    1 root     root             0 Apr 28 06:54 affinity_hint
-r--r--r--    1 root     root             0 Apr 28 06:54 effective_affinity
-r--r--r--    1 root     root             0 Apr 28 06:54 effective_affinity_list
-r--r--r--    1 root     root             0 Apr 28 06:54 node
-rw-r--r--    1 root     root             0 Apr 28 06:25 smp_affinity
-rw-r--r--    1 root     root             0 Apr 28 06:54 smp_affinity_list
-r--r--r--    1 root     root             0 Apr 28 06:54 spurious
dr-xr-xr-x    2 root     root             0 Apr 28 06:54 xilinx_framebuffer

root@zcu106_vcu_llp2_nv16:~# ls /proc/irq/59 -l
total 0
-r--r--r--    1 root     root             0 Apr 28 06:54 affinity_hint
-r--r--r--    1 root     root             0 Apr 28 06:54 effective_affinity
-r--r--r--    1 root     root             0 Apr 28 06:54 effective_affinity_list
-r--r--r--    1 root     root             0 Apr 28 06:54 node
-rw-r--r--    1 root     root             0 Apr 28 06:54 smp_affinity
-rw-r--r--    1 root     root             0 Apr 28 06:54 smp_affinity_list
-r--r--r--    1 root     root             0 Apr 28 06:54 spurious
dr-xr-xr-x    2 root     root             0 Apr 28 06:54 xilinx-vphy
root@zcu106_vcu_llp2_nv16:~# cat /proc/irq/59/smp_affinity
f
root@zcu106_vcu_llp2_nv16:~# echo 2 >  /proc/irq/59/smp_affinity
root@zcu106_vcu_llp2_nv16:~# cat /proc/irq/59/smp_affinity
2
root@zcu106_vcu_llp2_nv16:~# echo 4 >  /proc/irq/59/smp_affinity
root@zcu106_vcu_llp2_nv16:~# cat /proc/irq/59/smp_affinity
4

Linux的中断信息，可以参考问 Linux 中断和smp_affinity, Linux 中断和 IRQ 调节。