Linux的移植(1)

嵌入式

ARM Linux底层驱动的组成和现状
内核节拍
中断控制器

ARM Linux底层驱动的组成和现状

为了让Linux在一个全新的ARM SoC上跑起来，需要提供大量的底层支持，如定时器节拍、中断控制器、SMP启动、CPU热插拔以及底层的GPIO、时钟、pinctrl和DMA硬件的封装等。

定时器节拍为Linux基于时间片的调度机制以及内核和用户空间的定时器提供支持，中断控制器的驱动则使得Linux内核工程师可以直接调用local_irq_disable()、local_irq_enable()等通用的中断API，而SMP启动支持则用于让SoC内部的多个CPU核都投入运行，CPU热插拔则运行运行时挂载或拔除CPU。

内核节拍

一般将linux做移植时，会从相应SoC上找一个定时器，并将该定时器配置为HZ的频率，在每个时钟节拍到来时，调用ARM Linux内核核心层的timer_tick()函数，从而引发系统里的一系列行为。

static irqreturn_t
ebsa110_timer_interrupt(int irq, void *dev_id)
{
    u32 count;

    /* latch and read timer 1 */
    __raw_writeb(0x40, PIT_CTRL);
    count = __raw_readb(PIT_T1);
    count |= __raw_readb(PIT_T1) << 8;

    count += COUNT;

    __raw_writeb(count & 0xff, PIT_T1);
    __raw_writeb(count >> 8, PIT_T1);

    timer_tick();

    return IRQ_HANDLED;
}

static struct irqaction ebsa110_timer_irq = {
    .name       = "EBSA110 Timer Tick",
    .flags      = IRQF_TIMER | IRQF_IRQPOLL,
    .handler    = ebsa110_timer_interrupt,
};

/*
 * Set up timer interrupt.
 */
void __init ebsa110_timer_init(void)
{
    arch_gettimeoffset = ebsa110_gettimeoffset;

    /*
     * Timer 1, mode 2, LSB/MSB
     */
    __raw_writeb(0x70, PIT_CTRL);
    __raw_writeb(COUNT & 0xff, PIT_T1);
    __raw_writeb(COUNT >> 8, PIT_T1);

    setup_irq(IRQ_EBSA110_TIMER0, &ebsa110_timer_irq);
}

当前的Linux大多采用无节拍方案，并支持高精度定时器，内核的配置一般会使能NO_HZ和HIGH_RES_TIMERS。无节拍并不是说系统中没有时钟节拍，而是说这个节拍不再像如上那样周期性产生。无节拍意味着，根据系统的运行情况，以事件驱动的方式动态决定下一个节拍在何时发生，其定时器中断发生的时间间隔可长可短。

而SoC底层的定时器也被实现为一个clock_event_device和clocksource形式的驱动。而在定时器中断服务程序中，也不再调用timer_tick(),而是调用clock_event_device的event_handler()成员函数。具体可参考一个典型的新内核定时器驱动。

如下为几个总要接口函数的解释：

clock_event_device->set_next_event：该接口的第一个参数是linux内核传递给底层定时器的一个差值，表示在多少个计数的时刻产生下一次节拍的中断。
clocksorce->read:该接口可读取出从开机到当前时刻定时器计数器已经走过的值，无论有没有设置当计数器达到某值时产生中断。因此该接口给内核提供了一个底层的准确的参考时间。
timer_interrupt:中断服务程序直接调用clock_event_device->event_handler()

对于多核处理器的定时器分配来说，通常有如下两种实现方式：

每个核分配一个独立的定时器，各个核根据自身的运行情况动态地设置自己时钟中断发生的时刻。

只给CPU0提供定时器，由CPU0将定时器中断通过IPI(处理器间中断)广播到其它核。参考arch/arm/kernel/smp.c:IPI_TIMER

中断控制器

对于移植linux来说，必须要提供内核中断相关API接口的底层支持。拿local_irq_disable()、local_irq_enable()接口来说，在内核层面它们是与硬件无关的，但具体到硬件相关的实现时，通常的做法是直接让CPU本身不响应中断请求。而disable_irq()、enable_irq()则与之相反，它们的实现针对的是中断控制器。因此，关于中断屏蔽的实现可分为如下三个级别。

中断屏蔽实现的三个位置

对于中断控制器方便的移植工作，主要是实现为irq_chip驱动的形式，其具体实现就是对irq_chip中定义的各个接口进行填充。irq_chip是内核中对于中断控制器的描述。

struct irq_chip {
    struct device   *parent_device;
    const char  *name;
    unsigned int    (*irq_startup)(struct irq_data *data);
    void        (*irq_shutdown)(struct irq_data *data);
    void        (*irq_enable)(struct irq_data *data);
    void        (*irq_disable)(struct irq_data *data);

    void        (*irq_ack)(struct irq_data *data);
    void        (*irq_mask)(struct irq_data *data);
    void        (*irq_mask_ack)(struct irq_data *data);
    void        (*irq_unmask)(struct irq_data *data);
    void        (*irq_eoi)(struct irq_data *data);

    int     (*irq_set_affinity)(struct irq_data *data, const struct cpumask *dest, bool force);
    int     (*irq_retrigger)(struct irq_data *data);
    int     (*irq_set_type)(struct irq_data *data, unsigned int flow_type);
    int     (*irq_set_wake)(struct irq_data *data, unsigned int on);

    void        (*irq_bus_lock)(struct irq_data *data);
    void        (*irq_bus_sync_unlock)(struct irq_data *data);

    void        (*irq_cpu_online)(struct irq_data *data);
    void        (*irq_cpu_offline)(struct irq_data *data);

    void        (*irq_suspend)(struct irq_data *data);
    void        (*irq_resume)(struct irq_data *data);
    void        (*irq_pm_shutdown)(struct irq_data *data);

    void        (*irq_calc_mask)(struct irq_data *data);

    void        (*irq_print_chip)(struct irq_data *data, struct seq_file *p);
    int     (*irq_request_resources)(struct irq_data *data);
    void        (*irq_release_resources)(struct irq_data *data);

    void        (*irq_compose_msi_msg)(struct irq_data *data, struct msi_msg *msg);
    void        (*irq_write_msi_msg)(struct irq_data *data, struct msi_msg *msg);

    int     (*irq_get_irqchip_state)(struct irq_data *data, enum irqchip_irq_state which, bool *state);
    int     (*irq_set_irqchip_state)(struct irq_data *data, enum irqchip_irq_state which, bool state);

    int     (*irq_set_vcpu_affinity)(struct irq_data *data, void *vcpu_info);

    void        (*ipi_send_single)(struct irq_data *data, unsigned int cpu);
    void        (*ipi_send_mask)(struct irq_data *data, const struct cpumask *dest);

    int     (*irq_nmi_setup)(struct irq_data *data);
    void        (*irq_nmi_teardown)(struct irq_data *data);

    unsigned long   flags;
};

在实际芯片中，中断控制器可能不止一个，多个中断控制器之间还很可能是级联的。如下图所示：

SoC中断控制器分布示例

假设如上图中芯片内部有一个中断控制器，支持32个中断源，28～31号中断源来自于GPIO控制器外围的4组GPIO，每组GPIO上又有32个中断。

因此gpio0_0~gpio0_31这些引脚共用第一级中的28号中断。而这些引脚本身的中断号在实现于GPIO控制器对应的irq_chip驱动时，可以将其映射到linux系统的32~63号中断。同理，其它3组GPIO中断也可进行同样的映射。

但是在实际中，这种多级中断之间可能不一定是一种简单的线性映射。因此，Linux使用IRQ Domain来描述一个中断控制器所管理的中断源。可通过irq_domain*类接口在中断源于irq_desc之间建立映射关系，其实质就是针对这个IRQ Domain维护了一个hwirq和逻辑IRQ之间关系的一个表或其它查找数据结构。

实际上在内核中，中断号更多是一个逻辑概念，更多的是关心在设备树中设置正确的interrupt_parrent和相对其的偏移。当然对于这种级联式的中断控制器，可参考/drivers/pinctrl/sirf/pinctrl-sirf.c中的irq_chip部分的实现。

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