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）和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

	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