簡述MSI和MSI-X中斷機制

MSI和MSI-X中斷機制

在PCI總線中，所有需要提交中斷請求的設備，必須能夠通過INTx引腳提交中斷請求，而MSI機制是一個可選機制。而在PCIe總線中，PCIe設備必須支持MSI或者MSI-X中斷請求機制，而可以不支持INTx中斷消息。

在PCIe總線中，MSI和MSI-X中斷機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文簡稱為MSI/MSI-X報文。

不同的處理器使用了不同的機制處理這些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設備發出的MSI報文的解釋并不相同。但是PCIe設備在提交MSI中斷請求時，都是向MSI/MSI-X Capability結構中的Message Address的地址寫Message Data數據，從而組成一個存儲器寫TLP，向處理器提交中斷請求。

有些PCIe設備還可以支持Legacy中斷方式[1]。但是PCIe總線并不鼓勵其設備使用Legacy中斷方式，在絕大多數情況下，PCIe設備使用MSI或者MSI/X方式進行中斷請求。

PCIe總線提供Legacy中斷方式的主要原因是，在PCIe體系結構中，存在許多PCI設備，而這些設備通過PCIe橋連接到PCIe總線中。這些PCI設備可能并不支持MSI/MSI-X中斷機制，因此必須使用INTx信號進行中斷請求。

當PCIe橋收到PCI設備的INTx信號后，并不能將其直接轉換為MSI/MSI-X中斷報文，因為PCI設備使用INTx信號進行中斷請求的機制與電平觸發方式類似，而MSI/MSI-X中斷機制與邊沿觸發方式類似。

這兩種中斷觸發方式不能直接進行轉換。因此當PCI設備的INTx信號有效時，PCIe橋將該信號轉換為Assert_INTx報文，當這些INTx信號無效時，PCIe橋將該信號轉換為Deassert_INTx報文。

與Legacy中斷方式相比，PCIe設備使用MSI或者MSI-X中斷機制，可以消除INTx這個邊帶信號，而且可以更加合理地處理PCIe總線的“序”。目前絕大多數PCIe設備使用MSI或者MSI-X中斷機制提交中斷請求。

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

與MSI中斷機制相比，MSI-X中斷機制更為合理。本章將首先介紹MSI/MSI-X Capability結構，之后分別以PowerPC處理器和x86處理器為例介紹MSI和MSI-X中斷機制。

[1] 通過發送Assert_INTx和Deassert_INTx消息報文進行中斷請求，即虛擬中斷線方式。

MSI/MSI-X Capability結構

PCIe設備可以使用MSI或者MSI-X報文向處理器提交中斷請求，但是對于某個具體的PCIe設備，可能僅支持一種報文。在PCIe設備中含有兩個Capability結構，一個是MSI Capability結構，另一個是MSI-X Capability結構。通常情況下一個PCIe設備僅包含一種結構，或者為MSI Capability結構，或者為MSI-X Capability結構。

MSI Capability結構

MSI Capability結構共有四種組成方式，分別是32和64位的Message結構，32位和64位帶中斷Masking的結構。MSI報文可以使用32位地址或者64位地址，而且可以使用Masking機制使能或者禁止某個中斷源。

?Capability ID字段記載MSI Capability結構的ID號，其值為0x05。在PCIe設備中，每一個Capability結構都有唯一的ID號。

?Next Pointer字段存放下一個Capability結構的地址。

?Message Control字段。該字段存放當前PCIe設備使用MSI機制進行中斷請求的狀態與控制信息，如表6 1所示。

表6 1 MSI Cabalibities結構的Message Control字段

Message Address字段。當MSI Enable位有效時，該字段存放MSI存儲器寫事務的目的地址的低32位。該字段的31:2字段有效，系統軟件可以對該字段進行讀寫操作；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存儲器寫事務的目的地址的高32位。

Message Data字段，該字段可讀寫。當MSI Enable位有效時，該字段存放MSI報文使用的數據。該字段保存的數值與處理器系統相關，在PCIe設備進行初始化時，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則并不相同。

如果Multiple Message Enable字段不為0b000時(即該設備支持多個中斷請求時)，PCIe設備可以通過改變Message Data字段的低位數據發送不同的中斷請求。Mask Bits字段。PCIe總線規定當一個設備使用MSI中斷機制時，最多可以使用32個中斷向量，從而一個設備最多可以發送32種中斷請求。

Mask Bits字段由32位組成，其中每一位對應一種中斷請求。當相應位為1時表示對應的中斷請求被屏蔽，為0時表示允許該中斷請求。系統軟件可讀寫該字段，系統初始化時該字段為全0，表示允許所有中斷請求。該字段和Pending Bits字段對于MSI中斷機制是可選字段，但是PCIe總線規范強烈建議所有PCIe設備支持這兩個字段。

Pending Bits字段。該字段對于系統軟件是只讀位，PCIe設備內部邏輯可以改變該字段的值。該字段由32位組成，并與PCIe設備使用的MSI中斷一一對應。該字段需要與Mask Bits字段聯合使用。

當Mask Bits字段的相應位為1時，如果PCIe設備需要發送對應的中斷請求時，Pending Bits字段的對應位將被PCIe設備的內部邏輯置1，此時PCIe設備并不會使用MSI報文向中斷控制器提交中斷請求；

當系統軟件將Mask Bits字段的相應位從1改寫為0時，PCIe設備將發送MSI報文向處理器提交中斷請求，同時將Pending Bit字段的對應位清零。在設備驅動程序的開發中，有時需要聯合使用Mask Bits和Pending Bits字段防止處理器丟棄中斷請求[2]。

MSI-X Capability結構

MSI-X Capability中斷機制與MSI Capability的中斷機制類似。PCIe總線引出MSI-X機制的主要目的是為了擴展PCIe設備使用中斷向量的個數，同時解決MSI中斷機制要求使用中斷向量號連續所帶來的問題。

MSI中斷機制最多只能使用32個中斷向量，而MSI-X可以使用更多的中斷向量。目前Intel的許多PCIe設備支持MSI-X中斷機制。與MSI中斷機制相比，MSI-X機制更為合理。

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中斷機制最重要的原因。因為對于多數PCIe設備，32種中斷請求已經足夠了。而引入MSI-X中斷機制的主要原因是，使用該機制不需要中斷控制器分配給該設備的中斷向量號連續。

如果一個PCIe設備需要使用8個中斷請求時，如果使用MSI機制時，Message Data的[2:0]字段可以為0b000~0b111，因此可以發送8種中斷請求，但是這8種中斷請求的Message Data字段必須連續。在許多中斷控制器中，Message Data字段連續也意味著中斷控制器需要為這個PCIe設備分配8個連續的中斷向量號。

有時在一個中斷控制器中，雖然具有8個以上的中斷向量號，但是很難保證這些中斷向量號是連續的。因此中斷控制器將無法為這些PCIe設備分配足夠的中斷請求，此時該設備的“Multiple Message Enable”字段將小于“Multiple Message Capable”。

而使用MSI-X機制可以合理解決該問題。在MSI-X Capability結構中，每一個中斷請求都使用獨立的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寄存器使用一個數組存放Message Address字段和Message Data字段，而不是將這兩個字段放入Capability寄存器中，本篇將這個數組稱為MSI-X Table。從而當PCIe設備使用MSI-X機制時，每一個中斷請求可以使用獨立的Message Address字段和Message Data字段。

除此之外MSI-X中斷機制還使用了獨立的Pending Table表，該表用來存放與每一個中斷向量對應的Pending位。這個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設備的BAR空間中。MSI-X機制必須支持這個Pending Table，而MSI機制的Pending Bits字段是可選的。

1 MSI-X Capability結構

MSI-X Capability結構比MSI Capability結構略微復雜一些。在該結構中，使用MSI-X Table存放該設備使用的所有Message Address和Message Data字段，這個表格存放在該設備的BAR空間中，從而PCIe設備可以使用MSI-X機制時，中斷向量號可以并不連續，也可以申請更多的中斷向量號。

?Capability ID字段記載MSI-X Capability結構的ID號，其值為0x11。在PCIe設備中，每一個Capability都有唯一的一個ID號。

?Next Pointer字段存放下一個Capability結構的地址。

?Message Control字段，該字段存放當前PCIe設備使用MSI-X機制進行中斷請求的狀態與控制信息，如表6 2所示。

表6 2 MSI-X Capability結構的Message Control字段

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

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

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

2 MSI-X Table

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

?Msg Addr。當MSI-X Enable位有效時，該字段存放MSI-X存儲器寫事務的目的地址的低32位。該雙字的31:2字段有效，系統軟件可讀寫；1:0字段復位時為0，PCIe設備可以根據需要將這個字段設為只讀，或者可讀寫。不同的處理器填入該寄存器的數據并不相同。

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

?Msg Data，該字段可讀寫，存放MSI-X報文使用的數據。其定義與處理器系統使用的中斷控制器和PCIe設備相關。

?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。當該位為1時，PCIe設備不能使用該Entry提交中斷請求；為0時可以提交中斷請求。該位在復位時為0。Per Vector Mask位的使用方法與MSI機制的Mask位類似。

3 Pending Table

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

當Per Vector Mask位為1時，PCIe設備不能立即發送MSI-X中斷請求，而是將對應的Pending位置1；當系統軟件將Per Vector Mask位清零時，PCIe設備需要提交MSI-X中斷請求，同時將Pending位清零。

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

編輯：jq