SoC芯片設(shè)計(jì)系列-ARM CPU子系統(tǒng)組件介紹

ARM CPU子系統(tǒng)組件介紹

1、概述

在A(yíng)RM架構(gòu)的CPU子系統(tǒng)中，組件設(shè)計(jì)旨在高效地整合了多種功能模塊，以支持處理器核心的運(yùn)行、內(nèi)存管理、中斷處理、數(shù)據(jù)交換以及與外部設(shè)備的交互等。以下是ARM CPU子系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵組件：

1. CPU Cores (處理器核心): 包括多個(gè)處理單元，如高性能的Cortex-A系列核心或高效能效核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令。

2. GIC (Generic Interrupt Controller): 管理中斷請(qǐng)求，確保系統(tǒng)對(duì)事件做出快速響應(yīng)，支持多級(jí)中斷處理和虛擬化。

3. DSU (DynamIQ Shared Unit): 在具備DynamIQ技術(shù)的SoC中，DSU管理共享資源，如L3緩存，優(yōu)化多核通信和數(shù)據(jù)一致性。

4. Cache System: 包括L1 Cache（靠近核心的高速緩存，分指令和數(shù)據(jù)緩存），L2 Cache（更大，有時(shí)是多核共享）。

5. Memory Controller: 控制內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)，如DDR控制器，管理與主存交互。6. AMBA總線(xiàn): 如AMBA總線(xiàn)架構(gòu)，提供系統(tǒng)內(nèi)部組件間的通信，包括常見(jiàn)的AXI（Advanced eXtensible Interface）協(xié)議。

7. System Control Block: 負(fù)理系統(tǒng)復(fù)位、時(shí)鐘、電源管理等初始化配置。

8. Security Features: 如TrustZone、加密引擎，確保系統(tǒng)安全。

9. Debugging and Trace: CoreSight、JTAGC等，方便調(diào)試和性能分析。

10. Connectivity and Peripherals: 包括USB、Ethernet控制器、顯示接口、I2C、SPI等，以支持與外設(shè)別交互。

這些組件共同構(gòu)成了復(fù)雜且高度集成的CPU子系統(tǒng)，支持現(xiàn)代計(jì)算平臺(tái)的高效、低功耗、安全性以及可擴(kuò)展性需求。

以下是一張比較早期的經(jīng)典的bit-LITTLE的架構(gòu)圖。

2、CPU Cores

2.1終端芯片處理器

Arm架構(gòu)是當(dāng)今世界上最受歡迎的處理器架構(gòu)之一，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和經(jīng)營(yíng)，ARM在經(jīng)典處理器，嵌入式處理器和應(yīng)用型處理器方面研發(fā)設(shè)計(jì)出了多個(gè)系列的產(chǎn)品。ARM Cortex系列是經(jīng)典處理器ARM11以后產(chǎn)品的新的命名系列，只在各種不同的市場(chǎng)提供服務(wù)，采用的是ARMv7或者ARMv8體系結(jié)構(gòu)，并分為三個(gè)系列，分別是Cortex-A，Cortex-R，Cortex-M。

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2.2服務(wù)器芯片處理器

2024年2月，Arm 推出了新的 Neoverse N3 和 V3 內(nèi)核以及針對(duì)這兩個(gè)內(nèi)核的 CSS 產(chǎn)品。正如人們所期望的那樣，Neoverse N3 更新了 N2，Neoverse V3 更新了 V2。CSS 是 Arm 的計(jì)算子系統(tǒng)，可提供更多預(yù)封裝 IP，幫助公司更快地開(kāi)發(fā)芯片或小芯片。

3、DynamIQ Shared Unit (DSU)

DynamIQ Shared Unit (DSU) 是ARM Cortex-A 系列列處理器中引入的一個(gè)關(guān)鍵組件，尤其是那些采用DynamIQ技術(shù)的高端多核設(shè)計(jì)中，如Cortex-A57、Cortex-A53、Cortex-A72、Cortex-A73等。DSU在SoC（System-on-Chip）架構(gòu)中扮演著至關(guān)重要的角色，其主要功能和特點(diǎn)包括：

1. L3緩存控制器：DSU集成L3緩存控制器，為整個(gè)CPU集群提供共享的、大容量的高速緩存，以減少對(duì)更慢速主存的依賴(lài)，提高數(shù)據(jù)交換效率。

2. 一致性管理：在多核處理器系統(tǒng)中，DSU負(fù)責(zé)維護(hù)緩存一致性，確保所有核心看到的數(shù)據(jù)是一致的，通過(guò)實(shí)施緩存一致性協(xié)議（如MESI、MOESI）來(lái)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)更新。

3. 數(shù)據(jù)共享與分配：DSU優(yōu)化多核間的數(shù)據(jù)分配和共享，通過(guò)有效的緩存分配策略和傳輸機(jī)制，減少數(shù)據(jù)復(fù)制，提高數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)效率。

4. 能效管理：作為SoC的一部分，DSU還可能集成能效管理機(jī)制，支持動(dòng)態(tài)調(diào)整頻率和電源狀態(tài)，以平衡性能與能耗。

5. 系統(tǒng)互聯(lián)：DSU通過(guò)高帶寬、低延遲的內(nèi)部總線(xiàn)與CPU核心、外設(shè)別、內(nèi)存控制器等SoC組件相連，確保數(shù)據(jù)快速流動(dòng)。

簡(jiǎn)言之，DynamIQ Shared Unit是DynamIQ架構(gòu)中的一個(gè)核心組件，它通過(guò)提供共享緩存、緩存一致性管理、數(shù)據(jù)高效共享和能效優(yōu)化，支持高性能、多核處理器系統(tǒng)中復(fù)雜數(shù)據(jù)處理和高效協(xié)作。

4、Snoop Control Unit（SCU）

Snoop Control Unit（SCU）是多處理器系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵組件，特別是在包含緩存一致性設(shè)計(jì)中，如對(duì)稱(chēng)多處理機(jī)群集（SMP）或片上系統(tǒng)（SoC）中。其主要作用是維護(hù)緩存一致性，確保所有處理器核心對(duì)共享緩存的內(nèi)容有統(tǒng)一的視圖景，從而保證數(shù)據(jù)的一致性和正確性。SCU的工作機(jī)制通常包括以下方面：

1. 監(jiān)聽(tīng)（Snooping）: SCU監(jiān)聽(tīng)所有處理器核心對(duì)共享緩存的訪(fǎng)問(wèn)請(qǐng)求，包括讀取和寫(xiě)入操作。當(dāng)一個(gè)核心試圖修改緩存中的數(shù)據(jù)時(shí)，SCU介入以確保其他核心對(duì)該數(shù)據(jù)的緩存副本不會(huì)變得陳舊。

2. 緩存更新: 如果一個(gè)核心請(qǐng)求的數(shù)據(jù)在另一個(gè)核心的緩存中是臟（已修改但未回寫(xiě)回主存），SCU會(huì)促使持有該臟數(shù)據(jù)的核心將其寫(xiě)回到共享緩存或主存，然后更新請(qǐng)求核心的緩存，保證數(shù)據(jù)最新。

3. 一致性協(xié)議: SCU遵循一定的緩存一致性協(xié)議，如MESI（Modified, Exclusive, Shared, Invalid）、MOESI（Modified, Owner, Exclusive, Shared, Invalid）或其他協(xié)議，來(lái)決定如何響應(yīng)緩存訪(fǎng)問(wèn)并維護(hù)一致性。

4. 廣播與仲裁: 在多核系統(tǒng)中，SCU可能需要廣播某些緩存操作，比如寫(xiě)操作，給所有核心，或仲裁緩存訪(fǎng)問(wèn)沖突，決定哪個(gè)核心優(yōu)先級(jí)次序。

5. 目錄管理: 在大型系統(tǒng)中，SCU可能配合緩存目錄使用，目錄存儲(chǔ)哪個(gè)緩存行位于哪些地方，其狀態(tài)，減少?gòu)V播范圍和提高效率。

綜上所述，Snoop Control Unit是多處理器緩存一致性機(jī)制中的重要一環(huán)，通過(guò)監(jiān)聽(tīng)和協(xié)調(diào)處理器間的緩存操作，確保數(shù)據(jù)的一致性，從而支持高效、可靠并行計(jì)算。

5、Coresight system

CoreSight架構(gòu)是ARM公司為復(fù)雜系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）設(shè)計(jì)的調(diào)試和追蹤解決方案，它提供了一個(gè)高度集成且可擴(kuò)展的框架，用于系統(tǒng)級(jí)的調(diào)試、性能分析和優(yōu)化。CoreSight架構(gòu)旨在支持多核和多處理器環(huán)境，尤其是在面對(duì)現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)和高性能計(jì)算領(lǐng)域，其功能強(qiáng)大且靈活的特性能夠顯著提升開(kāi)發(fā)效率和系統(tǒng)性能。以下是CoreSight架構(gòu)的一些關(guān)鍵組成部分和功能：

1. 調(diào)試和追蹤IP模塊：?包括嵌入式追蹤宏單元（ETM, Embedded Trace Macrocell, ETM）、系統(tǒng)追蹤宏單元（STM, System Trace Macrocell, STM）、數(shù)據(jù)觀(guān)看點(diǎn)單元（Data Watchpoint Unit, DWT）等，這些模塊負(fù)責(zé)捕獲程序執(zhí)行時(shí)的指令流、數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)、系統(tǒng)事件、性能計(jì)數(shù)等信息。

2. 跨觸發(fā)接口 - CTI（Cross Trigger Interface, CTI）：允許不同調(diào)試和追蹤組件之間同步事件，支持復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)調(diào)試和性能分析。

3. 調(diào)試訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn) - DAP（Debug Access Port, DAP）和DP（Debug Port）：提供調(diào)試接口，允許調(diào)試器通過(guò)串行線(xiàn)調(diào)試協(xié)議（如JTAG, SWD）訪(fǎng)問(wèn)系統(tǒng)。

4. 電源管理：支持系統(tǒng)級(jí)的動(dòng)態(tài)電壓和頻率調(diào)整（DVFS），優(yōu)化能效。

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CoreSight架構(gòu)的組件可按需組合，根據(jù)SoC的具體需求定制化集成，以達(dá)到最佳的調(diào)試、性能監(jiān)控和系統(tǒng)優(yōu)化效果，支持從簡(jiǎn)單的單核微控制器到復(fù)雜的多核服務(wù)器芯片的廣泛應(yīng)用。

6、System Memory Management Unit（SMMU）

ARM SMMU指的是ARM架構(gòu)中的System Memory Management Unit，它是一種系統(tǒng)級(jí)的內(nèi)存管理單元，主要負(fù)責(zé)地址轉(zhuǎn)換和內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限控制。在A(yíng)RM架構(gòu)中，SMMU主要用于處理非CPU核心的內(nèi)存管理，尤其是外設(shè)別和硬件加速器的內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)。與CPU核心中的MMU（管理虛擬地址到物理地址轉(zhuǎn)換）類(lèi)似，SMMU提供了對(duì)系統(tǒng)其他組件的內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)控制，確保安全和高效的數(shù)據(jù)交互。特別地，ARM SMMU在不同場(chǎng)景下的應(yīng)用和功能包括：

1. 外設(shè)別DMA訪(fǎng)問(wèn)隔離：SMMU通過(guò)配置映射表管理外設(shè)別DMA請(qǐng)求，確保其只能訪(fǎng)問(wèn)被授權(quán)的內(nèi)存區(qū)域，防止非法或越界訪(fǎng)問(wèn)，增強(qiáng)了系統(tǒng)安全性。

2. 硬件加速器訪(fǎng)問(wèn)控制：對(duì)于硬件加速器（如GPU、網(wǎng)絡(luò)加速器、加密加速器等），SMMU確保它們僅訪(fǎng)問(wèn)指定的內(nèi)存區(qū)域，避免對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的干擾，同時(shí)優(yōu)化訪(fǎng)問(wèn)效率。

3. 虛擬化支持：在虛擬化環(huán)境中，SMMU為每個(gè)虛擬機(jī)提供獨(dú)立的地址空間映射表，實(shí)現(xiàn)內(nèi)存的隔離，保障虛擬機(jī)間不能互相干擾，提升了虛擬化平臺(tái)的安全性和穩(wěn)定性。

4. 中斷處理：SMMU在某些實(shí)現(xiàn)中，如GICv3，可能間接參與中斷路由和管理，特別是與中斷的虛擬化處理，確保中斷能被正確、高效地路由至目標(biāo)處理器。

5. 內(nèi)存屬性管理：SMMU還可以控制內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)屬性，如是否緩存、共享與否、訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限等，進(jìn)一步細(xì)化內(nèi)存管理，提升系統(tǒng)整體性能和安全性。組件與實(shí)現(xiàn)：?Stream Table：根表基地址寄存于寄存器中，是SMMU查找中斷或DMA請(qǐng)求映射的起點(diǎn)。?Context Descriptor：描述符定義了第一階段映射表的基地址，與第二階段配置相關(guān)聯(lián)。?Translation Tables：用于實(shí)際的地址轉(zhuǎn)換，依據(jù)不同階段的映射表結(jié)構(gòu)，完成從虛擬到物理地址的映射。

綜上，ARM SMMU是系統(tǒng)中一個(gè)關(guān)鍵的組件，它對(duì)內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)的高效、安全控制和虛擬化支持至關(guān)重要，特別是在高性能、多核和異構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)中。

6.1. 什么是SMMU？

SMMU（system mmu),是I/O device與總線(xiàn)之間的地址轉(zhuǎn)換橋。

它在系統(tǒng)的位置如下圖：

它與mmu的功能類(lèi)似，可以實(shí)現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換，內(nèi)存屬性轉(zhuǎn)換，權(quán)限檢查等功能。

6.2. 為什么需要SMMU？

了解SMMU出現(xiàn)的背景，需要知道系統(tǒng)中的兩個(gè)概念：DMA和虛擬化。

DMA：（(Direct Memory Access），直接內(nèi)存存取, 是一種外部設(shè)備不通過(guò)CPU而直接與系統(tǒng)內(nèi)存交換數(shù)據(jù)的接口技術(shù) 。外設(shè)可以通過(guò)DMA，將數(shù)據(jù)批量傳輸?shù)絻?nèi)存，然后再發(fā)送一個(gè)中斷通知CPU取，其傳輸過(guò)程并不經(jīng)過(guò)CPU， 減輕了CPU的負(fù)擔(dān)。但由于DMA不能像CPU一樣通過(guò)MMU操作虛擬地址，所以DMA需要連續(xù)的物理地址。

虛擬化：在虛擬化場(chǎng)景， 所有的VM都運(yùn)行在中間層hypervisor上，每一個(gè)VM獨(dú)立運(yùn)行自己的OS（guest OS）,Hypervisor完成硬件資源的共享, 隔離和切換。

但對(duì)于Hypervisor + GuestOS的虛擬化系統(tǒng)來(lái)說(shuō), guest VM使用的物理地址是GPA, 看到的內(nèi)存并非實(shí)際的物理地址(也就是HPA)，因此Guest OS無(wú)法正常的將連續(xù)的物理地址分給硬件。

因此，為了支持I/O透?jìng)鳈C(jī)制中的DMA設(shè)備傳輸，而引入了IOMMU技術(shù)（ARM稱(chēng)作SMMU）。

總而言之，SMMU可以為ARM架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)虛擬化擴(kuò)展提供支持。它可以和MMU一樣，提供stage1轉(zhuǎn)換（VA->PA）, 或者stage2轉(zhuǎn)換（IPA->PA）,或者stage1 + stage2轉(zhuǎn)換（VA->IPA->PA）的靈活配置。

*[VA：虛擬地址；IPA: 中間物理地址；PA：物理地址]

6.3. SMMU常用概念

術(shù)語(yǔ) 概念

StreamID 一個(gè)平臺(tái)上可以有多個(gè)SMMU設(shè)備，每個(gè)SMMU設(shè)備下面可能連接著多個(gè)Endpoint， 多個(gè)設(shè)備互相之間可能不會(huì)復(fù)用同一個(gè)頁(yè)表，需要加以區(qū)分，SMMU用StreamID來(lái)做這個(gè)區(qū)分( SubstreamID的概念和PCIe PASID是等效的)

STE Stream Table Entry, STE里面包含一個(gè)指向stage2地址翻譯表的指針，并且同時(shí)還包含一個(gè)指向CD（Context Descriptor）的指針.

CD Context Descriptor, 是一個(gè)特定格式的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含了指向stage1地址翻譯表的基地址指針

4. SMMU數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)查找

SMMU翻譯過(guò)程需要使用多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如STE, CD，PTW等。

4.1 SID查找STE

Stream Table是存放在內(nèi)存中的一張表，在SMMU驅(qū)動(dòng)初始化時(shí)由驅(qū)動(dòng)程序創(chuàng)建好。

Stream table有兩種格式，一種是Linear Stream Table, 一種是2-level Stream Table.

1. Linear Stream Table

Linear Stream Table是將整個(gè)stream table在內(nèi)存中線(xiàn)性展開(kāi)成一個(gè)數(shù)組， 用Stream Id作為索引進(jìn)行查找.

Linear Stream Table 實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，只需要一次索引，速度快；但是平臺(tái)上外設(shè)較少時(shí)，浪費(fèi)連續(xù)的內(nèi)存空間。

2. 2-level Stream Table

2-level Stream Table， 顧名思義，就是包含2級(jí)table, 第一級(jí)table， 即STD，包含了指向二級(jí)STE的基地址STD。第二級(jí)STE是Linear stream Table. 2-level Stream Table的優(yōu)點(diǎn)是更加節(jié)省內(nèi)存。

SMMU根據(jù)寄存器配置的STRTAB_BASE地址找到STE， STRTAB_BASE定義了STE的基地值， Stream id定義了STE的偏移。如果使用linear 查找， 通過(guò)STRTAB_BASE + sid * 64（一個(gè)STE的大小為64B）找到STE；若使用2-level查找， 則先通過(guò)sid的高位找到L1_STD（STRTAB_BASE + sid[9:8] * 8, 一個(gè)L1_STD的大小為8B）, L1_STD定義了下一級(jí)查找的基地址，然后通過(guò)sid 找到具體的STE（l2ptr + sid[7:0] * 64）.

最終找到的STE如下所示，表中的信息包含屬性相關(guān)信息， 翻譯模式信息（是否 stream bypass, 若否，選擇stage1, stage2或者stage1 + stage2翻譯模式）。

.2 SSID查找CD

CD包含了指向stage1地址翻譯表的基地址指針.

如下圖所示， STE指明了CD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在DDR中的基地址S1ContextPTR, SSID(substream id)指明了CD數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的偏移，如果SMMU選擇進(jìn)行l(wèi)inear, 則使用S1ContextPTR + 64 * ssid 找到CD。如果SMMU選擇2-level, 則使用ssid進(jìn)行二級(jí)查找獲得CD（與上節(jié)STE的方式一致）。

最終找到的CD如下所示：

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表中信息包含memory屬性，翻譯控制信息，異?？刂菩畔⒁约癙age table walk(PTW)的起始地址TTB0, TTB1， 找到TTBx后，就可以PTW了。

5. SMMU地址轉(zhuǎn)換

5.1 單stage的地址轉(zhuǎn)換：

TTB 和 VA[47:39]組成獲取Level0頁(yè)表的地址PA；

Level0頁(yè)表中的next-level table address 和 VA[38:30]組成獲取Level1的頁(yè)表地址PA；

Level1頁(yè)表中的next-level table address 和 VA[29:21]組成獲取Level2的頁(yè)表地址PA；

Level2頁(yè)表中的next-level table address 和 VA[20:12]組成獲取Leve3的頁(yè)表地址PA；

level3頁(yè)表中的output address和va[12:0]組成獲取組后的鉆換地址

在stage1地址翻譯階段：硬件先通過(guò)StreamID索引到STE，然后用SubstreamID索引到CD， CD里面包含了stage1地址翻譯（把進(jìn)程的GVA/IOVA翻譯成IPA）過(guò)程中需要的頁(yè)表基地址信息、per-stream的配置信息以及ASID。在stage1翻譯的過(guò)程中，多個(gè)CD對(duì)應(yīng)著多個(gè)stage1的地址翻譯，通過(guò)Substream去確定對(duì)應(yīng)的stage1地址翻譯頁(yè)表。所以，Stage1地址翻譯其實(shí)是一個(gè)（RequestID, PASID） => GPA的映射查找過(guò)程。

5.2 stage1+stage2的地址轉(zhuǎn)換：

在使能SMMU兩階段地址翻譯的情況下，stage1負(fù)責(zé)將設(shè)備DMA請(qǐng)求發(fā)出的VA翻譯為IPA并作為stage2的輸入， stage2則利用stage1輸出的IPA再次進(jìn)行翻譯得到PA，從而DMA請(qǐng)求正確地訪(fǎng)問(wèn)到Guest的要操作的地址空間上。

在stage2地址翻譯階段：STE里面包含了stage2地址翻譯的頁(yè)表基地址（IPA->HPA）和VMID信息。如果多個(gè)設(shè)備被直通給同一個(gè)虛擬機(jī)，那么意味著他們共享同一個(gè)stage2地址翻譯頁(yè)表。

在兩階段地址翻譯場(chǎng)景下， 地址轉(zhuǎn)換流程步驟：

1.Guest驅(qū)動(dòng)發(fā)起DMA請(qǐng)求，這個(gè)DMA請(qǐng)求包含VA + SID前綴

2.DMA請(qǐng)求到達(dá)SMMU，SMMU提取DMA請(qǐng)求中的SID就知道這個(gè)請(qǐng)求是哪個(gè)設(shè)備發(fā)來(lái)的，然后去StreamTable索引對(duì)應(yīng)的STE

3.從對(duì)應(yīng)的STE表中查找到對(duì)應(yīng)的CD，然后用ssid到CD中進(jìn)行索引找到對(duì)應(yīng)的S1 Page Table

4.IOMMU進(jìn)行S1 Page Table Walk，將VA翻譯成IPA并作為S2的輸入

5.IOMMU執(zhí)行S2 Page Table Walk，將IPA翻譯成PA，地址轉(zhuǎn)化結(jié)束。

6. SMMU command queue 與 event queue

系統(tǒng)軟件通過(guò)Command Queue和Event Queue來(lái)和SMMU打交道，這2個(gè)Queue都是循環(huán)隊(duì)列。

Command queue用于軟件與SMMU的硬件交互，軟件寫(xiě)命令到command queue, SMMU從command queue中 地區(qū)命令處理。

Event Queue用于SMMU發(fā)生軟件配置錯(cuò)誤的狀態(tài)信息記錄，SMMU將配置錯(cuò)誤信息寫(xiě)到Event queue中，軟件通過(guò)讀取Event queue獲得配置錯(cuò)誤信息并進(jìn)行配置錯(cuò)誤處理。

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7、 GIC Controller

6.1 gic的版本號(hào)

§gic400，支持gicv2架構(gòu)版本。

§gic500，支持gicv3架構(gòu)版本。

§gic600，支持gicv3架構(gòu)版本

§gic700, 支持gicv4.1架構(gòu)版本

6.2 gic中斷類(lèi)型

GIC 分為不同類(lèi)型的中斷源：

§Shared Peripheral Interrupt (SPI) ： 共享中斷

§Private Peripheral Interrupt (PPI) ： 私有中斷

§Software Generated Interrupt (SGI) ： 軟件產(chǎn)生中斷

§Locality-specific Peripheral Interrupt (LPI)

每個(gè)中斷源都由一個(gè) ID 號(hào)標(biāo)識(shí)，稱(chēng)為 INTID。 前面列表中介紹的中斷類(lèi)型就是根據(jù) INTID 的范圍定義的：

6.3 LPI介紹

Locality Specific Interrupts（LPI），這是一個(gè)與GICv3及之后版本相關(guān)的概念。LPI中斷是GIC架構(gòu)中用來(lái)優(yōu)化中斷管理的一部分，特別是針對(duì)PCI Express (PCIe) 設(shè)備的中斷處理，它與傳統(tǒng)的共享中斷線(xiàn)方法不同，提供了更高效的中斷處理機(jī)制。以下是LPI的主要特點(diǎn)和工作原理：

1. 基于消息的中斷：LPI中斷不同于傳統(tǒng)的硬件中斷線(xiàn)機(jī)制，它基于消息傳遞，即中斷信號(hào)通過(guò)寫(xiě)入內(nèi)存中的特定地址（中斷向量寄存器）來(lái)觸發(fā)，而非通過(guò)物理線(xiàn)路。

2. 中斷優(yōu)化：LPI機(jī)制設(shè)計(jì)用于優(yōu)化了中斷處理，減少中斷延遲和提高吞吐量，特別是在多核和虛擬化環(huán)境中。它避免了物理中斷線(xiàn)的限制，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和擴(kuò)展性。

3. 中斷狀態(tài)表：LPI中斷的狀態(tài)信息存儲(chǔ)在內(nèi)存中，GIC通過(guò)配置的中斷狀態(tài)表（Pending狀態(tài)表）來(lái)跟蹤這些中斷，這允許快速查詢(xún)和處理狀態(tài)，減少了硬件開(kāi)銷(xiāo)耗。

4. GICv3及以后支持：GICv3開(kāi)始引入了對(duì)LPI中斷的直接注入支持，包括了中斷狀態(tài)表和中斷配置寄存取址等，而GICv4在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，如支持虛擬中斷直接注入到虛擬機(jī)。

5. 中斷路由與優(yōu)先級(jí)：LPI中斷也涉及到中斷的路由和優(yōu)先級(jí)管理，GIC的Distributor組件會(huì)根據(jù)中斷的屬性和系統(tǒng)策略，決定如何路由到適當(dāng)?shù)腃PU核心，以及處理的優(yōu)先級(jí)。

綜上所述，LPI在GIC框架下是針對(duì)高性能和高效中斷處理的一個(gè)設(shè)計(jì)，特別是在現(xiàn)代的多核處理器和虛擬化系統(tǒng)中，它利用內(nèi)存消息機(jī)制替代傳統(tǒng)的硬件中斷線(xiàn)，優(yōu)化中斷管理，提升了系統(tǒng)響應(yīng)速度和效率。

LPI，和SPI,PPI,SGI有些差別，LPI的中斷的配置，以及中斷的狀態(tài)，是保存在memory的表中，而不是保存在gic的寄存器中的。

·GICR_PROPBASER：保存LPI中斷配置表的基地址

·GICR_PENDBASER: 保存LPI中斷狀態(tài)表的基地址

這里，就涉及到兩個(gè)表：

6.3.1 LPI中斷配置表

該表，保存在memory中?；刂?，由GICR_PROPBASER寄存器決定。

該寄存器描述如下：

其中的Physical_Address字段，指定了LPI中斷配置表的基地址。

對(duì)于LPI配置表，每個(gè)LPI中斷，占用1個(gè)字節(jié)，指定了該中斷的使能和中斷優(yōu)先級(jí)。

當(dāng)外部發(fā)送LPI中斷給redistributor，redistributor首先要查該表，也就是要訪(fǎng)問(wèn)memory來(lái)獲取LPI中斷的配置。為了加速這過(guò)程，redistributor中可以配置cache，用來(lái)緩存LPI中斷的配置信息。

因?yàn)橛辛薱ache，所以L(fǎng)PI中斷的配置信息，就有了2份拷貝，一份在memory中，一份在redistributor的cache中。如果軟件修改了memory中的LPI中斷的配置信息，需要將redistributor中的cache信息給無(wú)效掉。

6.3.2 LPI中斷狀態(tài)表

該表，處于memory中，保存了LPI中斷的狀態(tài)，是否pending狀態(tài)。

LPI中斷的狀態(tài)，不是保存在寄存器中，而是保存在memory中的pending表中。該狀態(tài)表，由redistributor來(lái)進(jìn)行更改。而該table的基地址，是由軟件來(lái)設(shè)置的。

軟件通過(guò)設(shè)置 GICR_PENDBASER 寄存器來(lái)設(shè)置。

該寄存器，設(shè)置LPI狀態(tài)表的基地址，該狀態(tài)表的memory的屬性，如shareability，cache屬性等。

每個(gè)LPI中斷，占用一個(gè)bit空間

·0： 該LPI中斷，沒(méi)有處于pending狀態(tài)

·1： 該LPI中斷，處于pending狀態(tài)

該狀態(tài)表，由redistributor來(lái)設(shè)置。軟件如果修改該表，會(huì)引發(fā)unpredictable行為。

6.4 LPI的實(shí)現(xiàn)方式

為了實(shí)現(xiàn)LPI，gicv3定義了以下兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：

·使用ITS，將外設(shè)發(fā)送到eventID，轉(zhuǎn)換成LPI 中斷號(hào)

·forwarding方式，直接訪(fǎng)問(wèn)redistributor的寄存器GICR_SERLPIR，直接發(fā)送LPI中斷

6.4.1、forwarding方式

這種方式，比較簡(jiǎn)單，主要由下面幾個(gè)寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)：

·GICR_SERLPIR

·GICR_CLRLPIR

·GICR_INVLPIR

·GICR_INVALLR

·GICR_SYNCR

其gic框圖如下所示：

GICR_SERLPIR，將指定的LPI中斷，設(shè)置為pending狀態(tài)。

GICR_INVLPIR，將指定的LPI中斷，清除pending狀態(tài)。寄存器內(nèi)容和GICR_SERLPIR一致。

GICR_INVLPIR，將緩存中，指定LPI的緩存給無(wú)效掉，使GIC重新從memory中載入LPI的配置。

GICR_INVALLR，將緩存中，所有LPI的緩存給無(wú)效掉，使GIC重新從memory中，載入LPI中斷的配置。

GICR_SYNCR，對(duì)redistributor的操作是否完成。

寄存器，只有第0bit是有效的。如果為0，表示當(dāng)前對(duì)redistributor的操作是完成的，如果為1，那么是沒(méi)有完成的。

6.4.2、使用ITS方式

理解了forwarding方式，那么理解ITS方式，就要容易了。forwarding方式，是直接得到了LPI的中斷號(hào)。

但是對(duì)于ITS方式，是不知道LPI的中斷號(hào)的。需要將外設(shè)發(fā)送的DeviceID，eventID，通過(guò)一系列查表，得到LPI的中斷號(hào)以及該中斷對(duì)應(yīng)的target redistributor，然后將LPI中斷，發(fā)送給對(duì)應(yīng)的redistributor。

下圖是帶有ITS的gic框圖：

外設(shè)，通過(guò)寫(xiě)GITS_TRANSLATER寄存器，發(fā)起LPI中斷。寫(xiě)操作，給ITS提供2個(gè)信息：

·EventID：值保存在GITS_TRANSLATER寄存器中，表示外設(shè)發(fā)送中斷的事件類(lèi)型

·DeviceID：表示哪一個(gè)外設(shè)發(fā)起LPI中斷。該值的傳遞，是實(shí)現(xiàn)自定義，例如，可以使用AXI的user信號(hào)來(lái)傳遞。

ITS將DeviceID和eventID，通過(guò)一系列查表，得到LPI中斷號(hào)，再使用LPI中斷號(hào)查表，得到該中斷的目標(biāo)cpu。

ITS將LPI中斷號(hào)，LPI中斷對(duì)應(yīng)的目標(biāo)cpu，發(fā)送給對(duì)應(yīng)的redistributor。redistributor再將該中斷信息，發(fā)送給CPU。

6.5 ITS組件

ITS（Interrupt Translation Service）是GICv3及之后版本中引入的一項(xiàng)高級(jí)特性，特別針對(duì)PCI Express (PCIe) 系統(tǒng)的中斷處理進(jìn)行了優(yōu)化。以下是GIC的ITS的主要工作原理和功能：

1. 中斷轉(zhuǎn)換與路由優(yōu)化：ITS的主要職責(zé)是將PCIe的Message Signaled Interrupts (MSI) 轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)內(nèi)部中斷ID，進(jìn)而路由到適當(dāng)?shù)腃PU核心。這一轉(zhuǎn)換過(guò)程優(yōu)化了中斷的分配，尤其是對(duì)于多核處理器和虛擬化環(huán)境中的中斷路由。

2. 高效中斷處理：通過(guò)硬件加速中斷的翻譯和路由，ITS降低了中斷處理延遲，提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度，特別是在處理大量中斷的場(chǎng)景下，如數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

3. 中斷虛擬化支持：在虛擬化環(huán)境中，ITS可以更高效地重定向中斷到正確的虛擬機(jī)，支持中斷隔離和虛擬中斷的靈活管理，增強(qiáng)虛擬化平臺(tái)的性能和可擴(kuò)展性。

4. 中斷表管理：ITS維護(hù)一個(gè)中斷轉(zhuǎn)換表，存儲(chǔ)了中斷源到中斷ID的映射關(guān)系，以及相關(guān)的優(yōu)先級(jí)和路由信息。這個(gè)表支持動(dòng)態(tài)更新，允許系統(tǒng)根據(jù)需要調(diào)整中斷配置。

5. 硬件輔助的中斷分配：GIC的Distributor組件與ITS協(xié)同工作，確保中斷被高效地分配給CPU Interface，而CPU Interface負(fù)責(zé)中斷的發(fā)送EOI（End of Interrupt）信號(hào)，告知中斷已處理完畢，完成循環(huán)。

GIC的ITS特性是現(xiàn)代中斷處理技術(shù)的一個(gè)重要進(jìn)展，它提高了中斷處理的效率、靈活性和可擴(kuò)展性，特別是在復(fù)雜的多核處理器和虛擬化系統(tǒng)中，確保了中斷處理的高效和及時(shí)響應(yīng)。

6.5.1、ITS處理流程

ITS使用三類(lèi)表格，實(shí)現(xiàn)LPI的轉(zhuǎn)換和映射：

·device table： 映射deviceID到中斷轉(zhuǎn)換表

·interrupt translation table：映射EventID到INTID。以及INTID屬于的collection組

·collection table：映射collection到redistributor

當(dāng)外設(shè)往GITS_TRANSLATER寄存器中寫(xiě)數(shù)據(jù)后，ITS做如下操作：

·使用DeviceID，從設(shè)備表（device table）中選擇索引為DeviceID的表項(xiàng)。從該表項(xiàng)中，得到中斷映射表的位置

·使用EventID，從中斷映射表中選擇索引為EventID的表項(xiàng)。得到中斷號(hào)，以及中斷所屬的collection號(hào)

·使用collection號(hào)，從collection表格中，選擇索引為collection號(hào)的表項(xiàng)。得到redistributor的映射信息

·根據(jù)collection表項(xiàng)的映射信息，將中斷信息，發(fā)送給對(duì)應(yīng)的redistributor

以上是物理LPI中斷的ITS流程。虛擬LPI中斷的ITS流程與之類(lèi)似。以下是處理流程圖：

6.5.2、ITS命令

ITS操作，會(huì)涉及到很多表，而這些表的創(chuàng)建，維護(hù)是通過(guò)ITS命令，來(lái)實(shí)現(xiàn)的。雖然這些表，是在內(nèi)存中的，但是GICv3和GICv4，不支持直接訪(fǎng)問(wèn)這些表，而是要通過(guò)ITS命令，來(lái)配置這些表。

ITS的操作，是通過(guò)命令，來(lái)控制的。外部通過(guò)發(fā)送命令給ITS，ITS然后去執(zhí)行命令，每個(gè)命令，占32字節(jié)。

ITS有command隊(duì)列，命令寫(xiě)在這個(gè)隊(duì)列里面。ITS會(huì)自動(dòng)的按照隊(duì)列順序，一一執(zhí)行。

每個(gè)命令占32個(gè)字節(jié)。

命令，存放在內(nèi)存中，GITS_CBASE，保存命令的首地址。GITS_CREADR，是由ITS控制，表示下一個(gè)命令的地址。GITS_CWRITER，是下一個(gè)待寫(xiě)命令的地址。軟件往GITS_CWRITER地址處，寫(xiě)入命令，之后ITS就會(huì)執(zhí)行這個(gè)命令。

ITS提供的命令，有很多，可以查閱GIC手冊(cè)獲取更多。

以下是CLEAR命令。

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6.5.3、ITS table

ITS包括很多個(gè)表，這些表均處于 non-secure區(qū)域。

GITS_BASER，指定ITS表的基地址和大小。軟件，在使用ITS之前，必須要配置。

其中的Physical_Address字段，就指定了表的基地址所在位置。

以下是各個(gè)表的基地址，對(duì)應(yīng)的寄存器。

審核編輯：劉清