0 引言

QEMU（quick emulator）^[1]是一款开源的硬件环境模拟仿真软件，它采取动态二进制翻译技术将目标处理器的指令集翻译为等价的本地处理器指令组合，从而实现对硬件环境的异构模拟仿真。全球各地的开源软件开发人员基于技术成熟度高、市场占有率大的硬件产品，为QEMU贡献了大量的硬件环境模拟代码。这些代码对于商业产品实现了非常精细的模拟，但是对于专业领域（例如：航空航天领域等）所使用的一些类似硬件环境，并不能做到无缝衔接的程度^[4-5]。

天脉操作系统是航空工业计算所研发的，拥有完全自主知识产权的嵌入式实时操作系统产品，可被应用于综合化航电系统、分区隔离操作环境以及单核/多核处理器等多种嵌入式应用场景。天脉嵌入式实时操作系统产品目前已在航空航天各个领域被广泛使用，覆盖了数据采集、通信导航、图形图像以及综合任务处理等诸多应用场景。

将为ARM多核处理器开发的嵌入式天脉操作系统运行在QEMU（版本号：6.1.0）^[1]的VIRT模拟器上时，发现能够成功运行在真实硬件环境下的操作系统，并不能将VIRT模拟器中所模拟的GIC中断控制器驱动运行。具体表现为：无法产生任何中断信号。

本文通过深入分析GIC中断控制器的说明文档、VIRT模拟器对GIC中断控制器的硬件模拟代码以及天脉操作系统对GIC中断控制器的驱动代码，找出了操作系统驱动代码与模拟器硬件模拟代码之间的匹配差异。通过修改模拟器的硬件模拟代码，完成对操作系统驱动代码的适配。最终在不改动天脉操作系统驱动代码的情况下，顺利将VIRT模拟器模拟的GIC中断控制器成功驱动。

修改后的VIRT模拟器很好地适配了目标操作系统。在一些暂时缺少真实硬件的场合，可以将VIRT模拟器先提供给上层软件开发用户，提前进行应用软件的开发调试工作，做到了软硬件的同步开发，大大节省了后期软硬件联调联试所需的时间，对于工程项目的快速交付具有极为重要的推动作用^[6]。

1 GIC中断控制器的配置

本文所涉及的GIC中断控制器为目前ARM架构中应用最广泛的V3版本^[2-3]，所涉及的配置寄存器类包括：

1）GICC：处理器相关的寄存器类。

2）GICD：中断分发相关的寄存器类。

下面首先分析GIC中断控制器说明文档中相关的配置描述。

1.1 GICC相关的配置寄存器

GICC寄存器类是中断控制器与CPU相关的接口寄存器组（CPU interface registers）。在ARM体系架构中，GICC寄存器类采用系统寄存器方式进行访问，即通过MRC指令以及相应的寄存器编码进行访问。同时，GICC部分寄存器也可以通过内存映射的方式进行访问，即寄存器有自己的内存地址，CPU采用内存读写的方式对寄存器进行访问。

GICC寄存器组中与本文有关的寄存器如表1所示，ICC_*表示采用系统寄存器方式进行访问。

CC_BPR0、ICC_BPR1以及ICC_PMR负责优先级相关的配置；ICC_IGRPEN0与ICC_IGRPEN1负责寄存器组Group0与Group1的使能配置；ICC_SRE负责GICC寄存器的访问方式配置；ICC_CTLR负责对中断行为及属性进行配置（写）或访问（读）；ICC_IAR0与ICC_IAR1负责在产生中断时提供具体的中断号。

1.2 GICD相关的配置寄存器

GICD寄存器类是控制中断控制器中断分发功能的寄存器组（distributor registers）。在ARM体系架构中，GICD寄存器类采用内存映射的方式进行访问，即该类中的每个寄存器都有自己的内存地址，CPU采用内存读写的方式对寄存器进行访问。

GICD寄存器组中与本文有关的寄存器如表2所示。

GICD_CTLR负责配置中断和路由使能；GICD_IGROUPR负责分配中断所属的Group（Group0或Group1）；GICD_ISENABLER负责配置中断投递使能；GICD_ICENABLER负责配置中断投递禁止；GICD_IPRIORITYR负责中断的优先级配置；GICD_ICFGR负责中断触发方式的配置（沿触发或者电平触发）；GICD_TYPER负责提供中断控制器的各种属性信息。

2 天脉操作系统对GIC中断控制器的配置

2.1 对GICC寄存器组的配置

天脉操作系统对GICC寄存器组的关键配置包括：

1）通过配置ICC_SRE寄存器，使能系统寄存器访问方式；

2）通过配置ICC_PMR寄存器，设置中断优先级的屏蔽字；

3）通过配置ICC_BPR1寄存器，设置Group1中断组的优先级分段标志；

4）通过配置ICC_CTLR寄存器，设置中断访问清除为EOI模式；

5）通过配置ICC_IGRPEN1寄存器，使能Group1中断组。

通过检查相关代码发现天脉操作系统并没有对ICC_IGRPEN0与ICC_BPR0进行配置。

2.2 对GICD寄存器组的配置

天脉操作系统对GICD寄存器组的关键配置包括：

1）通过读取GICD_TYPER寄存器，获取GIC中断控制器的版本以及最大中断号等信息；

2）通过配置GICD_ICFGR寄存器，设置所有中断的触发方式为电平触发；

3）通过配置GICD_IPRIORITYR寄存器，设置中断的优先级；

4）通过配置GICD_ICENABLER寄存器，将所有中断初始状态设置为禁止；

5）通过配置GICD_CTLR寄存器，使能中断路由功能以及Group1中断组。

通过检查相关代码，发现天脉操作系统并没有对GICD_IGROUPR进行配置。

2.3 模拟和真实硬件配置结果的差异

通过以上描述可知，操作系统在配置GIC中断控制器时，只设置了部分寄存器的值，其它寄存器则采用了系统上电后的默认值。因此，极可能是由于真实硬件与VIRT模拟器对于GIC中断控制器各个寄存器上电缺省值的设置不同，导致了操作系统在两个平台上运行时产生了不同的结果。

为了对比天脉操作系统在两个平台上对GIC中断控制器最终的配置结果，在配置完成之后加入了对表1、表2中关键寄存器值的打印。经过对比两个平台的打印输出信息发现：VIRT模拟器平台在配置完成之后，将所有中断全部归为Group0中断组；而硬件平台在配置完成之后，将所有中断全部归为Group1中断组^[9]。

由2.1节可知，在操作系统配置代码中，并没有对Group0中断组进行配置（涉及ICC_IGRPEN0与ICC_BPR0寄存器）。进一步检查操作系统的中断响应查询代码发现，在外部中断产生之后，需要获取具体的中断号时，操作系统也只是读取了Group1中断分组的中断标识寄存器（ICC_IAR1），并未读取Group0中断分组的中断标识寄存器（ICC_IAR0）。

根据以上分析可知，由于真实硬件和VIRT模拟器对于中断的默认分组不同，而操作系统的所有配置访问代码都是基于Group1分组进行操作，这就导致在VIRT模拟器上运行天脉操作系统时，并不能正确驱动GIC中断控制器。

3 VIRT模拟器对中断控制器的模拟

通过分析VIRT模拟器与GIC中断控制器相关的初始化代码发现，模拟器在ARM处理器的安全模式下将中断归为Group0中断组，在非安全模式下将中断归为Group1中断组^[7]。相关代码如图1所示。

但是在VIRT模拟器GIC设备的创建过程中并没有将控制中断分组的变量irq_reset_nonsecure设置为TRUE，最终导致所有中断被归为Group0分组。正确的做法应该是根据当前ARM处理器的安全模式，将irq_reset_nonsecure设置为正确的值。修改后的GIC设备创建代码如图2所示。

修改上述代码之后，再次在VIRT模拟器平台运行天脉操作系统，并打印GIC中断控制器最终的配置结果。打印输出信息显示此时的配置结果与真实硬件平台完全一致。说明上述对代码的改动是符合预期的。

虽然经过上述修改，使模拟平台与真实硬件平台对GIC中断控制器的配置完全一致，但是中断信号依然不能成功送达CPU。进一步分区VIRT模拟器代码发现，在模拟中断发送环节，模拟器根据中断类型的不同，对中断号进行了二次调整。

在ARM多核处理器架构下，GIC中断控制器将中断分为共享中断（SPI）和私有中断（PPI）两类。SPI为所有处理器核共享，PPI为每个处理器核私有^[2-3，8]。

模拟器对不同类型中断号的调整代码如图3所示。

因为PPI为每个处理器核所私有，所以也称为核的内部中断。本文所涉及的硬件和模拟平台中，ARM处理器的每个核有32个内部中断，中断号都是从1开始到32结束。SPI被处理器的所有核所共享，中断号从33开始到288结束共256个。

由图3所列的代码可知，VIRT模拟器在触发SPI中断之前，会在传入的中断号基础上，增加内部中断的个数（32），然后以新调整的中断号去触发中断，将其发送给处理器的所有核。而在触发PPI中断之前，VIRT模拟器则会根据传入的中断号，首先算出对应的CPU核号，以及真正的PPI中断号（1-32之间），然后把调整后的中断号发送给对应的处理器核。

分析总结VIRT模拟器对于中断号的调整，可得出以下结论：

1）VIRT模拟器中的SPI中断号从1到256，对应真实硬件的中断号从33到288；

2）VIRT模拟器中的PPI中断号，从257开始，每32个对应一个处理器的核，即：257-288属于核0；289-320属于核1；依次类推。

基于以上结论，在VIRT模拟器中设备挂接中断时，不能直接使用真实硬件的中断号^[10]，而应该采取以下调整策略：

1）对于SPI中断，挂接时应该在真实的物理中断号的基础上减去32。即：

2）对于PPI中断，挂接时应该以真实的物理中断号，计算出对应的模拟器中断号后再使用。计算公式为：

经过上述的调整之后，在VIRT模拟器上运行天脉操作系统时，中断便可以正常产生。

4 结论

天脉操作系统对GIC中断控制器的初始化遵守了GIC体系架构文档中的描述。在真实硬件平台运行天脉操作系统时，基于ARM处理器的非安全状态以及GIC中断控制器相关寄存器的默认值，所有中断被划分为Group1中断组。而在VIRT模拟器中，所有中断默认被划分为Group0中断组。另外，在中断投送过程中，VIRT模拟器对中断号进行了二次调整，导致设备挂接的中断号与最终投送给处理器的中断号并不一致。在调整中断分组以及设备挂接的中断号之后，天脉操作系统即能够成功在VIRT模拟器平台运行。但是，如果设备挂接的中断号与实际投送的中断号不一致，则会给用户带来不好的使用体验。如何通过修改VIRT模拟器代码使得二者一致，是需要进一步研究的内容。

另外，在实际应用中，操作系统与VIRT模拟器会因虚拟设备模型、操作系统底层驱动、设备设计手册相互不一致等问题无法匹配，因此，从工程角度建议操作系统和VIRT模拟器的不兼容可从这三个方面同时出发，进行操作系统与VIRT模拟器适配工作。

参考文献