在工作需求，需要在uboot下实现一个定时器来完成一些业务，使用的是Cortex A53 CPU（基于ARM v8-A架构），因此对ARMv8-A的定时器以及中断作了一些研究，这篇文章主要描述如在uboot下开启ARM v8的定时器中断。

文章内容会涉及到GIC及ARM v8-A(后面简写成ARMv8)架构相关知识，可查看下面2篇文章

、ARM v8架构

注：本文中所使用和参考的uboot版本：U-Boot 2015.07

总体思路

一般情况下uboot都是关闭中断的，所以要让定时器正常工作，需要完成以下几点：

  1. 打开ARM核心中断，这里主要是指IRQ中断
  2. 正确配置中断向量表，中断现场保存与恢复
  3. 正确配置GIC
  4. 正确配置定时器参数
  5. 编写好正确的中断服务函数

打开ARMv8中断

这一节描述如何打开ARMv8的IRQ中断，有兴趣的可以自行阅读ARMv8体系结构手册，可以从这里下载。

首先ARMv8运行在64位模式时与ARMv7有很大的区别，不能简单的通过修改CPSR寄存器来完成。

  1. 设置DAIF寄存器，打开IRQ中断
    64位模式下DAIF寄存器定义如下，其实DAIF寄存器只是将ARMv7中CPSR寄存器的A、I、F单独拿出来使用

    只需要将I位清空成0即可打开 IRQ 中断
    针对DAIF寄存器，体系结构中提供了2个位操作寄存器DAIFSet、DAIFClr
    打开中断代码

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    void enable_interrupts(void)
    {
        //开启IRQ
        asm volatile("msr daifclr, #2");
        return;
    }

    相应的关闭中断代码

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    int disable_interrupts(void)
    {
        //关闭IRQ
        asm volatile("msr daifset, #2");
        return 0;
    }

  2. 配置中断路由

    中断部分，ARMv8与ARMv7最大的不同可能是中断路由了，因为ARMv8中取消了工作模式改用异常级别，因为中断可以通过配置被路由到不同的级别，比如一个中断发生后，可以进入EL1级别处理，也可以进入EL2级别处理。

    目前工作使用的软硬件方向中，uboot启动后CPU运行中EL2级别（不确定其他硬件方向运行的级别），使用最小化修改代码框架原则，不修改uboot的运行级别，通过配置将相应的中断路由到EL2级别处理。

    下图是我这次选择的中断路由配置，目前使用的硬件方案(A53)实现了EL2和EL3

    其中HCR_EL2寄存器的默认值与上图的配置不一致，IMO默认是0，需要修改成1
    当然其他方案的寄存器可能不同，需要根据实际情况修改
    修改代码如下

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    int interrupt_init(void)
    {
        unsigned long value, cur_el;
         /*如果当前处于EL2级别，需要设置HCR_EL2寄存器，将IRQ路由到EL2*/
        asm volatile("mrs %0, CurrentEL" : "=r" (cur_el));
        if(cur_el == 0x8) {
    	    asm volatile("mrs %0, HCR_EL2" : "=r" (value));
            value |= (1<<4);
    	    asm volatile("msr HCR_EL2, %0" : : "r" (value));   
        }
        
    	return 0;
    }

中断向量表

U-Boot 2015.07官方代码中已经正确配置了中断向量表，可以不用太关注。

ARMv8的中断向量表也ARMv7也有很大的区别，v7的中断向量表只有一个并且在固定位置。v8的不同异常级别对应不同的中断向量表，当然可以只实现一个异常级别的中断，比如linux kernel只使用EL1。

ARMv8的中断向量表由VBAR_ELx（x=1,2,3）决定，比如我此次使用的EL2级别，需要配置vbar_el2

因为官方代码已经实现，可以直接查看uboot源码，这里不再详解。

中断现场保护与恢复

与中断现场相关的寄存器

ELR_ELx（x=1,2,3，下同）：进入ELx异常时保存需要返回的地址，功能ARMv7的LR寄存器类似

SP、SP_ELx：各级别所使用的栈指针，其中SP是当前模式下的栈指针，可以通过SPSel来选择（所有级别都使用SP_EL0、不同级别使用相应的SP_ELx）

SPSR_ELx：进入ELx异常时保存处理器的状态，异常返回时会自动恢复到相应的状态寄存器中，正常的中断程序可以不用处理

中断现场保护

将所有通用寄存器(x0-x30)和程序返回寄存器(ELR_ELx)入栈，入栈完成后即可进入中断处理流程

因为官方代码已经实现了入栈功能，可以直接查看uboot源码，这里不再详解。

中断现场恢复

相应的需要将通用寄存器(x0-x30)和程序返回寄存器(ELR_ELx)出栈，然后使用eret指令返回

代码如下

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.macro  exception_exit
    ldp x2, x0, [sp], #16
    switch_el x11, 3f, 2f, 1f
3:  msr elr_el3, x2
    b 0f
2:  msr elr_el2, x2
    b 0f
1:  msr elr_el1, x2
    b 0f
0:
   ldp x1, x2, [sp], #16
   ldp x3, x4, [sp], #16
   ldp x5, x6, [sp], #16
   ldp x7, x8, [sp], #16
   ldp x9, x10, [sp], #16
   ldp x11, x12, [sp], #16
   ldp x13, x14, [sp], #16
   ldp x15, x16, [sp], #16
   ldp x17, x18, [sp], #16
   ldp x19, x20, [sp], #16
   ldp x21, x22, [sp], #16
   ldp x23, x24, [sp], #16
   ldp x25, x26, [sp], #16
   ldp x27, x28, [sp], #16
   ldp x29, x30, [sp], #16
   eret
.endm

这里再简单说一下eret指令

eret指令的大概作用是：使用当前的SPSR和ELR寄存器，将异常返回，SPSR寄存器的内容会恢复到PSTATE寄存器中，程序从ELR指向的地址继续执行

配置GIC

GIC是ARM CPU里的中断控制器，对于没有了解过的人来说还是有一点小小的复杂，不过如果只是将ARM核心的定时器中断打开，配置起来还是非常简单的，只需要几个操作：

  1. 打开 GIC Distributor总中断

  2. 打开CPU核心定时器中断（选择 physical timer，对应的中断是30）

  3. 打开GIC CPU interface总中断

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    void timer_gic_init(void)
    {
        uint32_t value;

        /*打开GIC Distributor总中断*/
        value = readl(GICD_BASE+GICD_CTLR);
        value |= 1;
        writel(value, GICD_BASE+GICD_CTLR);
        
        /*打开Non-secure physical timer中断，具体可以看GIC-400手册*/
        value = readl(GICD_BASE+GICD_ISENABLERn);
        value |= (1<<30);
        writel(value, GICD_BASE+GICD_ISENABLERn);
        
        /*打开GIC CPU interface总中断*/
        value = readl(GICC_BASE+GICC_CTLR);
        value |= 1;
        writel(value, GICC_BASE+GICC_CTLR);
    }

配置定时器参数

参考了linux内核，选择physical timer定时器，详细的配置可以查看ARMv8体系结构手册

与定时器相关的寄存器：

CNTFRQ_EL0：系统定时器的频率，由硬件决定，软件被始化时需要填写正确的值，目前我使用的是24Mhz

CNTP_CTL_EL0, ：定时器使能（包括中断使能）控制

CNTPCT_EL0：定时器计数，只要CPU在运行（没有休眠）就会一直累加，累加的频为CNTFRQ_EL0，不可关闭

CNTP_CVAL_EL0：比较寄存器，如果定时器使能且中断已经打开（由CNTP_CTL_EL0控制），当CNTPCT_EL0计数达到CNTP_CVAL_EL0时，就会产生中断

根据以上几个寄存器的描述可以，只要在CNTP_CVAL_EL0里写入合适的值即可产生想要的中断，具体代码如下：

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void set_physical_timer(int timeout_ms)
{
    /*定时器使用细节可查看ARMv8体系结构手册*/
    unsigned long value, freq, cnt, cmp;

    /*关闭定时器*/
    value = 0;
	asm volatile("msr CNTP_CTL_EL0, %0" : : "r" (value));
    
    /*计算下次超时时间*/
    asm volatile("mrs %0, CNTFRQ_EL0" : "=r" (freq));
    asm volatile("mrs %0, CNTPCT_EL0" : "=r" (cnt));
    cmp = cnt + (freq/1000)*timeout_ms;
    asm volatile("msr CNTP_CVAL_EL0, %0" :  :"r" (cmp));
        
    /*打开定时器*/
    value = 1;
    asm volatile("msr CNTP_CTL_EL0, %0" : : "r" (value));
}

中断服务函数

中断服务函数需要完成几件必要的事情

  1. 中断现场保护（前面已经提到）
  2. 中断处理
  3. 中断现场恢复（前面已经提到）

中断处理分成3个步骤：

  1. 从GIC中找出当前的中断编号，对于此次应用，应该是30
  2. 重写设置定时器的CNTP_CVAL_EL0寄存器
  3. 写GIC的EOI寄存器，指示此次中断处理完毕

具体代码如下 ：

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void do_irq(struct pt_regs *pt_regs, unsigned int esr)
{
    int irq;

    irq = readl(GICC_BASE + GICC_IAR);

    if((irq & 0x3ff) == 30) {
        set_physical_timer(TIMER_PERIOD);
        printf("%s.%d\n", __FUNCTION__, __LINE__);
    }
    writel(irq, GICC_BASE + GICC_EOIR);
}
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_do_irq:
	exception_entry
	bl	do_irq
	exception_exit