MSI和MSI-X中斷機(jī)制

在PCI總線中，所有需要提交中斷請求的設(shè)備，必須能夠通過INTx引腳提交中斷請求，而MSI機(jī)制是一個(gè)可選機(jī)制。而在PCIe總線中，PCIe設(shè)備必須支持MSI或者M(jìn)SI-X中斷請求機(jī)制，而可以不支持INTx中斷消息。

在PCIe總線中，MSI和MSI-X中斷機(jī)制使用存儲器寫請求TLP向處理器提交中斷請求，下文為簡便起見將傳遞MSI/MSI-X中斷消息的存儲器寫報(bào)文簡稱為MSI/MSI-X報(bào)文。

不同的處理器使用了不同的機(jī)制處理這些MSI/MSI-X中斷請求，如PowerPC處理器使用MPIC中斷控制器處理MSI/MSI-X中斷請求，本章將在第6.2節(jié)中介紹這種處理情況；而x86處理器使用FSB Interrupt Message方式處理MSI/MSI-X中斷請求。

不同的處理器對PCIe設(shè)備發(fā)出的MSI報(bào)文的解釋并不相同。但是PCIe設(shè)備在提交MSI中斷請求時(shí)，都是向MSI/MSI-X Capability結(jié)構(gòu)中的Message Address的地址寫Message Data數(shù)據(jù)，從而組成一個(gè)存儲器寫TLP，向處理器提交中斷請求。

有些PCIe設(shè)備還可以支持Legacy中斷方式[1]。但是PCIe總線并不鼓勵(lì)其設(shè)備使用Legacy中斷方式，在絕大多數(shù)情況下，PCIe設(shè)備使用MSI或者M(jìn)SI/X方式進(jìn)行中斷請求。

PCIe總線提供Legacy中斷方式的主要原因是，在PCIe體系結(jié)構(gòu)中，存在許多PCI設(shè)備，而這些設(shè)備通過PCIe橋連接到PCIe總線中。這些PCI設(shè)備可能并不支持MSI/MSI-X中斷機(jī)制，因此必須使用INTx信號進(jìn)行中斷請求。

當(dāng)PCIe橋收到PCI設(shè)備的INTx信號后，并不能將其直接轉(zhuǎn)換為MSI/MSI-X中斷報(bào)文，因?yàn)镻CI設(shè)備使用INTx信號進(jìn)行中斷請求的機(jī)制與電平觸發(fā)方式類似，而MSI/MSI-X中斷機(jī)制與邊沿觸發(fā)方式類似。

這兩種中斷觸發(fā)方式不能直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此當(dāng)PCI設(shè)備的INTx信號有效時(shí)，PCIe橋?qū)⒃撔盘栟D(zhuǎn)換為Assert_INTx報(bào)文，當(dāng)這些INTx信號無效時(shí)，PCIe橋?qū)⒃撔盘栟D(zhuǎn)換為Deassert_INTx報(bào)文。

與Legacy中斷方式相比，PCIe設(shè)備使用MSI或者M(jìn)SI-X中斷機(jī)制，可以消除INTx這個(gè)邊帶信號，而且可以更加合理地處理PCIe總線的“序”。目前絕大多數(shù)PCIe設(shè)備使用MSI或者M(jìn)SI-X中斷機(jī)制提交中斷請求。

MSI和MSI-X機(jī)制的基本原理相同，其中MSI中斷機(jī)制最多只能支持32個(gè)中斷請求，而且要求中斷向量連續(xù)，而MSI-X中斷機(jī)制可以支持更多的中斷請求，而并不要求中斷向量連續(xù)。

與MSI中斷機(jī)制相比，MSI-X中斷機(jī)制更為合理。本章將首先介紹MSI/MSI-X Capability結(jié)構(gòu)，之后分別以PowerPC處理器和x86處理器為例介紹MSI和MSI-X中斷機(jī)制。

[1] 通過發(fā)送Assert_INTx和Deassert_INTx消息報(bào)文進(jìn)行中斷請求，即虛擬中斷線方式。

MSI/MSI-X Capability結(jié)構(gòu)

PCIe設(shè)備可以使用MSI或者M(jìn)SI-X報(bào)文向處理器提交中斷請求，但是對于某個(gè)具體的PCIe設(shè)備，可能僅支持一種報(bào)文。在PCIe設(shè)備中含有兩個(gè)Capability結(jié)構(gòu)，一個(gè)是MSI Capability結(jié)構(gòu)，另一個(gè)是MSI-X Capability結(jié)構(gòu)。通常情況下一個(gè)PCIe設(shè)備僅包含一種結(jié)構(gòu)，或者為MSI Capability結(jié)構(gòu)，或者為MSI-X Capability結(jié)構(gòu)。

MSI Capability結(jié)構(gòu)

MSI Capability結(jié)構(gòu)共有四種組成方式，分別是32和64位的Message結(jié)構(gòu)，32位和64位帶中斷Masking的結(jié)構(gòu)。MSI報(bào)文可以使用32位地址或者64位地址，而且可以使用Masking機(jī)制使能或者禁止某個(gè)中斷源。

?Capability ID字段記載MSI Capability結(jié)構(gòu)的ID號，其值為0x05。在PCIe設(shè)備中，每一個(gè)Capability結(jié)構(gòu)都有唯一的ID號。

?Next Pointer字段存放下一個(gè)Capability結(jié)構(gòu)的地址。

?Message Control字段。該字段存放當(dāng)前PCIe設(shè)備使用MSI機(jī)制進(jìn)行中斷請求的狀態(tài)與控制信息，如表6 1所示。

表6 1 MSI Cabalibities結(jié)構(gòu)的Message Control字段

Message Address字段。當(dāng)MSI Enable位有效時(shí)，該字段存放MSI存儲器寫事務(wù)的目的地址的低32位。該字段的31:2字段有效，系統(tǒng)軟件可以對該字段進(jìn)行讀寫操作；該字段的第1~0位為0。Message Upper Address字段。如果64 bit Address Capable位有效，該字段存放MSI存儲器寫事務(wù)的目的地址的高32位。

Message Data字段，該字段可讀寫。當(dāng)MSI Enable位有效時(shí)，該字段存放MSI報(bào)文使用的數(shù)據(jù)。該字段保存的數(shù)值與處理器系統(tǒng)相關(guān)，在PCIe設(shè)備進(jìn)行初始化時(shí)，處理器將初始化該字段，而且不同的處理器填寫該字段的規(guī)則并不相同。

如果Multiple Message Enable字段不為0b000時(shí)(即該設(shè)備支持多個(gè)中斷請求時(shí))，PCIe設(shè)備可以通過改變Message Data字段的低位數(shù)據(jù)發(fā)送不同的中斷請求。Mask Bits字段。PCIe總線規(guī)定當(dāng)一個(gè)設(shè)備使用MSI中斷機(jī)制時(shí)，最多可以使用32個(gè)中斷向量，從而一個(gè)設(shè)備最多可以發(fā)送32種中斷請求。

Mask Bits字段由32位組成，其中每一位對應(yīng)一種中斷請求。當(dāng)相應(yīng)位為1時(shí)表示對應(yīng)的中斷請求被屏蔽，為0時(shí)表示允許該中斷請求。系統(tǒng)軟件可讀寫該字段，系統(tǒng)初始化時(shí)該字段為全0，表示允許所有中斷請求。該字段和Pending Bits字段對于MSI中斷機(jī)制是可選字段，但是PCIe總線規(guī)范強(qiáng)烈建議所有PCIe設(shè)備支持這兩個(gè)字段。

Pending Bits字段。該字段對于系統(tǒng)軟件是只讀位，PCIe設(shè)備內(nèi)部邏輯可以改變該字段的值。該字段由32位組成，并與PCIe設(shè)備使用的MSI中斷一一對應(yīng)。該字段需要與Mask Bits字段聯(lián)合使用。

當(dāng)Mask Bits字段的相應(yīng)位為1時(shí)，如果PCIe設(shè)備需要發(fā)送對應(yīng)的中斷請求時(shí)，Pending Bits字段的對應(yīng)位將被PCIe設(shè)備的內(nèi)部邏輯置1，此時(shí)PCIe設(shè)備并不會使用MSI報(bào)文向中斷控制器提交中斷請求；

當(dāng)系統(tǒng)軟件將Mask Bits字段的相應(yīng)位從1改寫為0時(shí)，PCIe設(shè)備將發(fā)送MSI報(bào)文向處理器提交中斷請求，同時(shí)將Pending Bit字段的對應(yīng)位清零。在設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)中，有時(shí)需要聯(lián)合使用Mask Bits和Pending Bits字段防止處理器丟棄中斷請求[2]。

MSI-X Capability結(jié)構(gòu)

MSI-X Capability中斷機(jī)制與MSI Capability的中斷機(jī)制類似。PCIe總線引出MSI-X機(jī)制的主要目的是為了擴(kuò)展PCIe設(shè)備使用中斷向量的個(gè)數(shù)，同時(shí)解決MSI中斷機(jī)制要求使用中斷向量號連續(xù)所帶來的問題。

MSI中斷機(jī)制最多只能使用32個(gè)中斷向量，而MSI-X可以使用更多的中斷向量。目前Intel的許多PCIe設(shè)備支持MSI-X中斷機(jī)制。與MSI中斷機(jī)制相比，MSI-X機(jī)制更為合理。

首先MSI-X可以支持更多的中斷請求，但是這并不是引入MSI-X中斷機(jī)制最重要的原因。因?yàn)閷τ诙鄶?shù)PCIe設(shè)備，32種中斷請求已經(jīng)足夠了。而引入MSI-X中斷機(jī)制的主要原因是，使用該機(jī)制不需要中斷控制器分配給該設(shè)備的中斷向量號連續(xù)。

如果一個(gè)PCIe設(shè)備需要使用8個(gè)中斷請求時(shí)，如果使用MSI機(jī)制時(shí)，Message Data的[2:0]字段可以為0b000~0b111，因此可以發(fā)送8種中斷請求，但是這8種中斷請求的Message Data字段必須連續(xù)。在許多中斷控制器中，Message Data字段連續(xù)也意味著中斷控制器需要為這個(gè)PCIe設(shè)備分配8個(gè)連續(xù)的中斷向量號。

有時(shí)在一個(gè)中斷控制器中，雖然具有8個(gè)以上的中斷向量號，但是很難保證這些中斷向量號是連續(xù)的。因此中斷控制器將無法為這些PCIe設(shè)備分配足夠的中斷請求，此時(shí)該設(shè)備的“Multiple Message Enable”字段將小于“Multiple Message Capable”。

而使用MSI-X機(jī)制可以合理解決該問題。在MSI-X Capability結(jié)構(gòu)中，每一個(gè)中斷請求都使用獨(dú)立的Message Address字段和Message Data字段，從而中斷控制器可以更加合理地為該設(shè)備分配中斷資源。

與MSI Capability寄存器相比，MSI-X Capability寄存器使用一個(gè)數(shù)組存放Message Address字段和Message Data字段，而不是將這兩個(gè)字段放入Capability寄存器中，本篇將這個(gè)數(shù)組稱為MSI-X Table。從而當(dāng)PCIe設(shè)備使用MSI-X機(jī)制時(shí)，每一個(gè)中斷請求可以使用獨(dú)立的Message Address字段和Message Data字段。

除此之外MSI-X中斷機(jī)制還使用了獨(dú)立的Pending Table表，該表用來存放與每一個(gè)中斷向量對應(yīng)的Pending位。這個(gè)Pending位的定義與MSI Capability寄存器的Pending位類似。MSI-X Table和Pending Table存放在PCIe設(shè)備的BAR空間中。MSI-X機(jī)制必須支持這個(gè)Pending Table，而MSI機(jī)制的Pending Bits字段是可選的。

1 MSI-X Capability結(jié)構(gòu)

MSI-X Capability結(jié)構(gòu)比MSI Capability結(jié)構(gòu)略微復(fù)雜一些。在該結(jié)構(gòu)中，使用MSI-X Table存放該設(shè)備使用的所有Message Address和Message Data字段，這個(gè)表格存放在該設(shè)備的BAR空間中，從而PCIe設(shè)備可以使用MSI-X機(jī)制時(shí)，中斷向量號可以并不連續(xù)，也可以申請更多的中斷向量號。

?Capability ID字段記載MSI-X Capability結(jié)構(gòu)的ID號，其值為0x11。在PCIe設(shè)備中，每一個(gè)Capability都有唯一的一個(gè)ID號。

?Next Pointer字段存放下一個(gè)Capability結(jié)構(gòu)的地址。

?Message Control字段，該字段存放當(dāng)前PCIe設(shè)備使用MSI-X機(jī)制進(jìn)行中斷請求的狀態(tài)與控制信息，如表6 2所示。

表6 2 MSI-X Capability結(jié)構(gòu)的Message Control字段

Table BIR(BAR Indicator Register)。該字段存放MSI-X Table所在的位置，PCIe總線規(guī)范規(guī)定MSI-X Table存放在設(shè)備的BAR空間中。該字段表示設(shè)備使用BAR0~5寄存器中的哪個(gè)空間存放MSI-X table。

該字段由三位組成，其中0b000~0b101與BAR0~5空間一一對應(yīng)。Table Offset字段。該字段存放MSI-X Table在相應(yīng)BAR空間中的偏移。PBA(Pending Bit Array) BIR字段。

該字段存放Pending Table在PCIe設(shè)備的哪個(gè)BAR空間中。在通常情況下，Pending Table和MSI-X Table存放在PCIe設(shè)備的同一個(gè)BAR空間中。PBA Offset字段。該字段存放Pending Table在相應(yīng)BAR空間中的偏移。

2 MSI-X Table

由上圖可見，MSI-X Table由多個(gè)Entry組成，其中每個(gè)Entry與一個(gè)中斷請求對應(yīng)。其中每一個(gè)Entry中有四個(gè)參數(shù)，其含義如下所示。

?Msg Addr。當(dāng)MSI-X Enable位有效時(shí)，該字段存放MSI-X存儲器寫事務(wù)的目的地址的低32位。該雙字的31:2字段有效，系統(tǒng)軟件可讀寫；1:0字段復(fù)位時(shí)為0，PCIe設(shè)備可以根據(jù)需要將這個(gè)字段設(shè)為只讀，或者可讀寫。不同的處理器填入該寄存器的數(shù)據(jù)并不相同。

?Msg Upper Addr，該字段可讀寫，存放MSI-X存儲器寫事務(wù)的目的地址的高32位。

?Msg Data，該字段可讀寫，存放MSI-X報(bào)文使用的數(shù)據(jù)。其定義與處理器系統(tǒng)使用的中斷控制器和PCIe設(shè)備相關(guān)。

?Vector Control，該字段可讀寫。該字段只有第0位(即Per Vector Mask位)有效，其他位保留。當(dāng)該位為1時(shí)，PCIe設(shè)備不能使用該Entry提交中斷請求；為0時(shí)可以提交中斷請求。該位在復(fù)位時(shí)為0。Per Vector Mask位的使用方法與MSI機(jī)制的Mask位類似。

3 Pending Table

在Pending Table中，一個(gè)Entry由64位組成，其中每一位與MSI-X Table中的一個(gè)Entry對應(yīng)，即Pending Table中的每一個(gè)Entry與MSI-X Table的64個(gè)Entry對應(yīng)。與MSI機(jī)制類似，Pending位需要與Per Vector Mask位配置使用。

當(dāng)Per Vector Mask位為1時(shí)，PCIe設(shè)備不能立即發(fā)送MSI-X中斷請求，而是將對應(yīng)的Pending位置1；當(dāng)系統(tǒng)軟件將Per Vector Mask位清零時(shí)，PCIe設(shè)備需要提交MSI-X中斷請求，同時(shí)將Pending位清零。

[1] 此時(shí)PCI設(shè)備配置空間Command寄存器的“Interrupt Disable”位為1。[2] MSI機(jī)制提交中斷請求的方式類似與邊界觸發(fā)方式，而使用邊界觸發(fā)方式時(shí)，處理器可能會丟失某些中斷請求，因此在設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)過程中，可能需要使用這兩個(gè)字段。

編輯：jq