简述MSI和MSI-X中断机制

MSI和MSI-X中断机制

在PCI总线中，所有需要提交中断请求的设备，必须能够通过INTx引脚提交中断请求，而MSI机制是一个可选机制。而在PCIe总线中，PCIe设备必须支持MSI或者MSI-X中断请求机制，而可以不支持INTx中断消息。

在PCIe总线中，MSI和MSI-X中断机制使用存储器写请求TLP向处理器提交中断请求，下文为简便起见将传递MSI/MSI-X中断消息的存储器写报文简称为MSI/MSI-X报文。

不同的处理器使用了不同的机制处理这些MSI/MSI-X中断请求，如PowerPC处理器使用MPIC中断控制器处理MSI/MSI-X中断请求，本章将在第6.2节中介绍这种处理情况；而x86处理器使用FSB Interrupt Message方式处理MSI/MSI-X中断请求。

不同的处理器对PCIe设备发出的MSI报文的解释并不相同。但是PCIe设备在提交MSI中断请求时，都是向MSI/MSI-X Capability结构中的Message Address的地址写Message Data数据，从而组成一个存储器写TLP，向处理器提交中断请求。

有些PCIe设备还可以支持Legacy中断方式[1]。但是PCIe总线并不鼓励其设备使用Legacy中断方式，在绝大多数情况下，PCIe设备使用MSI或者MSI/X方式进行中断请求。

PCIe总线提供Legacy中断方式的主要原因是，在PCIe体系结构中，存在许多PCI设备，而这些设备通过PCIe桥连接到PCIe总线中。这些PCI设备可能并不支持MSI/MSI-X中断机制，因此必须使用INTx信号进行中断请求。

当PCIe桥收到PCI设备的INTx信号后，并不能将其直接转换为MSI/MSI-X中断报文，因为PCI设备使用INTx信号进行中断请求的机制与电平触发方式类似，而MSI/MSI-X中断机制与边沿触发方式类似。

这两种中断触发方式不能直接进行转换。因此当PCI设备的INTx信号有效时，PCIe桥将该信号转换为Assert_INTx报文，当这些INTx信号无效时，PCIe桥将该信号转换为Deassert_INTx报文。

与Legacy中断方式相比，PCIe设备使用MSI或者MSI-X中断机制，可以消除INTx这个边带信号，而且可以更加合理地处理PCIe总线的“序”。目前绝大多数PCIe设备使用MSI或者MSI-X中断机制提交中断请求。

MSI和MSI-X机制的基本原理相同，其中MSI中断机制最多只能支持32个中断请求，而且要求中断向量连续，而MSI-X中断机制可以支持更多的中断请求，而并不要求中断向量连续。

与MSI中断机制相比，MSI-X中断机制更为合理。本章将首先介绍MSI/MSI-X Capability结构，之后分别以PowerPC处理器和x86处理器为例介绍MSI和MSI-X中断机制。

[1] 通过发送Assert_INTx和Deassert_INTx消息报文进行中断请求，即虚拟中断线方式。

MSI/MSI-X Capability结构

PCIe设备可以使用MSI或者MSI-X报文向处理器提交中断请求，但是对于某个具体的PCIe设备，可能仅支持一种报文。在PCIe设备中含有两个Capability结构，一个是MSI Capability结构，另一个是MSI-X Capability结构。通常情况下一个PCIe设备仅包含一种结构，或者为MSI Capability结构，或者为MSI-X Capability结构。

MSI Capability结构

MSI Capability结构共有四种组成方式，分别是32和64位的Message结构，32位和64位带中断Masking的结构。MSI报文可以使用32位地址或者64位地址，而且可以使用Masking机制使能或者禁止某个中断源。

•Capability ID字段记载MSI Capability结构的ID号，其值为0x05。在PCIe设备中，每一个Capability结构都有唯一的ID号。

•Next Pointer字段存放下一个Capability结构的地址。

•Message Control字段。该字段存放当前PCIe设备使用MSI机制进行中断请求的状态与控制信息，如表6 1所示。

表6 1 MSI Cabalibities结构的Message Control字段

Bits	定义	描述
15:9	Reserved	保留位。系统软件读取该字段时将返回全零，对此字段写无意义。
8	Per-vector Masking Capable	该位为1时，表示支持带中断Masking的结构；如果为0，表示不支持带中断Masking的结构。该位对系统软件只读，该位在PCIe设备初始化时设置。
7	64 bit Address Capable	该位为1时，表示支持64位地址结构；如果为0，表示只能支持带32位地址结构。该位对系统软件只读，该位在PCIe设备初始化时设置。
6:4	Multiple Message Enable	该字段可读写，表示软件分配给当前PCIe设备的中断向量数目。系统软件根据Multiple Message Capable字段的大小确定该字段的值。在系统的中断向量资源并不紧张时，Multiple Message Capable字段和该字段的值相等；而资源紧张时，该字段的值可能小于Multiple Message Capable字段的值。
3:1	Multiple Message Capable	该字段对系统软件只读，表示当前PCIe设备可以使用几个中断向量号，在不同的PCIe设备中该字段的值并不不同。当该字段为0b000时，表示PCIe设备可以使用1个中断向量；为0b001、0b010、0b011、0b100和0b101时，表示使用4、8、16和32个中断向量；而0b110和0b111为保留位。该字段与Multiple Message Enable字段的含义不同，该字段表示，当前PCIe设备支持的中断向量个数，而Multiple Message Enable字段是系统软件分配给PCIe设备实际使用的中断向量个数。
0	MSI Enable	该位可读写，是MSI中断机制的使能位。该位为1而且MSI-X Enable位为0时，当前PCIe设备可以使用MSI中断机制，此时Legacy中断机制被禁止。一个PCIe设备的MSI Enble和MSI-X Enable位都被禁止时，将使用INTx中断消息报文发出/结束中断请求[1]。

Message Address字段。当MSI Enable位有效时，该字段存放MSI存储器写事务的目的地址的低32位。该字段的31:2字段有效，系统软件可以对该字段进行读写操作；该字段的第1~0位为0。Message Upper Address字段。如果64 bit Address Capable位有效，该字段存放MSI存储器写事务的目的地址的高32位。

Message Data字段，该字段可读写。当MSI Enable位有效时，该字段存放MSI报文使用的数据。该字段保存的数值与处理器系统相关，在PCIe设备进行初始化时，处理器将初始化该字段，而且不同的处理器填写该字段的规则并不相同。

如果Multiple Message Enable字段不为0b000时(即该设备支持多个中断请求时)，PCIe设备可以通过改变Message Data字段的低位数据发送不同的中断请求。Mask Bits字段。PCIe总线规定当一个设备使用MSI中断机制时，最多可以使用32个中断向量，从而一个设备最多可以发送32种中断请求。

Mask Bits字段由32位组成，其中每一位对应一种中断请求。当相应位为1时表示对应的中断请求被屏蔽，为0时表示允许该中断请求。系统软件可读写该字段，系统初始化时该字段为全0，表示允许所有中断请求。该字段和Pending Bits字段对于MSI中断机制是可选字段，但是PCIe总线规范强烈建议所有PCIe设备支持这两个字段。

Pending Bits字段。该字段对于系统软件是只读位，PCIe设备内部逻辑可以改变该字段的值。该字段由32位组成，并与PCIe设备使用的MSI中断一一对应。该字段需要与Mask Bits字段联合使用。

当Mask Bits字段的相应位为1时，如果PCIe设备需要发送对应的中断请求时，Pending Bits字段的对应位将被PCIe设备的内部逻辑置1，此时PCIe设备并不会使用MSI报文向中断控制器提交中断请求；

当系统软件将Mask Bits字段的相应位从1改写为0时，PCIe设备将发送MSI报文向处理器提交中断请求，同时将Pending Bit字段的对应位清零。在设备驱动程序的开发中，有时需要联合使用Mask Bits和Pending Bits字段防止处理器丢弃中断请求[2]。

MSI-X Capability结构

MSI-X Capability中断机制与MSI Capability的中断机制类似。PCIe总线引出MSI-X机制的主要目的是为了扩展PCIe设备使用中断向量的个数，同时解决MSI中断机制要求使用中断向量号连续所带来的问题。

MSI中断机制最多只能使用32个中断向量，而MSI-X可以使用更多的中断向量。目前Intel的许多PCIe设备支持MSI-X中断机制。与MSI中断机制相比，MSI-X机制更为合理。

首先MSI-X可以支持更多的中断请求，但是这并不是引入MSI-X中断机制最重要的原因。因为对于多数PCIe设备，32种中断请求已经足够了。而引入MSI-X中断机制的主要原因是，使用该机制不需要中断控制器分配给该设备的中断向量号连续。

如果一个PCIe设备需要使用8个中断请求时，如果使用MSI机制时，Message Data的[2:0]字段可以为0b000~0b111，因此可以发送8种中断请求，但是这8种中断请求的Message Data字段必须连续。在许多中断控制器中，Message Data字段连续也意味着中断控制器需要为这个PCIe设备分配8个连续的中断向量号。

有时在一个中断控制器中，虽然具有8个以上的中断向量号，但是很难保证这些中断向量号是连续的。因此中断控制器将无法为这些PCIe设备分配足够的中断请求，此时该设备的“Multiple Message Enable”字段将小于“Multiple Message Capable”。

而使用MSI-X机制可以合理解决该问题。在MSI-X Capability结构中，每一个中断请求都使用独立的Message Address字段和Message Data字段，从而中断控制器可以更加合理地为该设备分配中断资源。

与MSI Capability寄存器相比，MSI-X Capability寄存器使用一个数组存放Message Address字段和Message Data字段，而不是将这两个字段放入Capability寄存器中，本篇将这个数组称为MSI-X Table。从而当PCIe设备使用MSI-X机制时，每一个中断请求可以使用独立的Message Address字段和Message Data字段。

除此之外MSI-X中断机制还使用了独立的Pending Table表，该表用来存放与每一个中断向量对应的Pending位。这个Pending位的定义与MSI Capability寄存器的Pending位类似。MSI-X Table和Pending Table存放在PCIe设备的BAR空间中。MSI-X机制必须支持这个Pending Table，而MSI机制的Pending Bits字段是可选的。

1 MSI-X Capability结构

MSI-X Capability结构比MSI Capability结构略微复杂一些。在该结构中，使用MSI-X Table存放该设备使用的所有Message Address和Message Data字段，这个表格存放在该设备的BAR空间中，从而PCIe设备可以使用MSI-X机制时，中断向量号可以并不连续，也可以申请更多的中断向量号。

•Capability ID字段记载MSI-X Capability结构的ID号，其值为0x11。在PCIe设备中，每一个Capability都有唯一的一个ID号。

•Next Pointer字段存放下一个Capability结构的地址。

•Message Control字段，该字段存放当前PCIe设备使用MSI-X机制进行中断请求的状态与控制信息，如表6 2所示。

表6 2 MSI-X Capability结构的Message Control字段

Bits	定义	描述
15	MSI-X Enable	该位可读写，是MSI-X中断机制的使能位，复位值为0，表示不使能MSI-X中断机制。该位为1且MSI Enable位为0时，当前PCIe设备使用MSI-X中断机制，此时INTx和MSI中断机制被禁止。当PCIe设备的MSI Enble和MSI-X Enable位为0时，将使用INTx中断消息报文发出/结束中断请求。
14	Function Mask	该位可读写，是中断请求的全局Mask位，复位值为0。如果该位为1，该设备所有的中断请求都将被屏蔽；如果该位为0，则由Per Vector Mask位，决定是否屏蔽相应的中断请求。Per Vector Mask位在MSI-X Table中定义，详见下文。
10：0	Table Size	MSI-X中断机制使用MSI-X Table存放Message Address字段和Message Data字段。该字段用来存放MSI-X Table的大小，该字段对系统软件只读。

Table BIR(BAR Indicator Register)。该字段存放MSI-X Table所在的位置，PCIe总线规范规定MSI-X Table存放在设备的BAR空间中。该字段表示设备使用BAR0~5寄存器中的哪个空间存放MSI-X table。

该字段由三位组成，其中0b000~0b101与BAR0~5空间一一对应。Table Offset字段。该字段存放MSI-X Table在相应BAR空间中的偏移。PBA(Pending Bit Array) BIR字段。

该字段存放Pending Table在PCIe设备的哪个BAR空间中。在通常情况下，Pending Table和MSI-X Table存放在PCIe设备的同一个BAR空间中。PBA Offset字段。该字段存放Pending Table在相应BAR空间中的偏移。

2 MSI-X Table

由上图可见，MSI-X Table由多个Entry组成，其中每个Entry与一个中断请求对应。其中每一个Entry中有四个参数，其含义如下所示。

•Msg Addr。当MSI-X Enable位有效时，该字段存放MSI-X存储器写事务的目的地址的低32位。该双字的31:2字段有效，系统软件可读写；1:0字段复位时为0，PCIe设备可以根据需要将这个字段设为只读，或者可读写。不同的处理器填入该寄存器的数据并不相同。

•Msg Upper Addr，该字段可读写，存放MSI-X存储器写事务的目的地址的高32位。

•Msg Data，该字段可读写，存放MSI-X报文使用的数据。其定义与处理器系统使用的中断控制器和PCIe设备相关。

•Vector Control，该字段可读写。该字段只有第0位(即Per Vector Mask位)有效，其他位保留。当该位为1时，PCIe设备不能使用该Entry提交中断请求；为0时可以提交中断请求。该位在复位时为0。Per Vector Mask位的使用方法与MSI机制的Mask位类似。

3 Pending Table

在Pending Table中，一个Entry由64位组成，其中每一位与MSI-X Table中的一个Entry对应，即Pending Table中的每一个Entry与MSI-X Table的64个Entry对应。与MSI机制类似，Pending位需要与Per Vector Mask位配置使用。

当Per Vector Mask位为1时，PCIe设备不能立即发送MSI-X中断请求，而是将对应的Pending位置1；当系统软件将Per Vector Mask位清零时，PCIe设备需要提交MSI-X中断请求，同时将Pending位清零。

[1] 此时PCI设备配置空间Command寄存器的“Interrupt Disable”位为1。[2] MSI机制提交中断请求的方式类似与边界触发方式，而使用边界触发方式时，处理器可能会丢失某些中断请求，因此在设备驱动程序的开发过程中，可能需要使用这两个字段。

编辑：jq