PCI總線如何與中斷控制器的信號相連？

PCI總線使用INTA#、INTB#、INTC#和INTD#信號向處理器發(fā)出中斷請求。這些中斷請求信號為低電平有效，并與處理器的中斷控制器連接。在PCI體系結(jié)構(gòu)中，這些中斷信號屬于邊帶信號(Sideband Signals)，PCI總線規(guī)范并沒有明確規(guī)定在一個處理器系統(tǒng)中如何使用這些信號，因為這些信號對于PCI總線是可選信號。PCI設(shè)備還可以使用MSI機制向處理器提交中斷請求，而不使用這組中斷信號。有關(guān)MSI機制的詳細說明見第8章。

1.1 中斷信號與中斷控制器的連接關(guān)系

不同的處理器使用的中斷控制器不同，如x86處理器使用APIC(Advanced Programmable Interrupt Controller)中斷控制器，而PowerPC處理器使用MPIC(Multiprocessor Interrupt Controller)中斷控制器。這些中斷控制器都提供了一些外部中斷請求引腳IRQ_PINx#。外部設(shè)備，包括PCI設(shè)備可以使用這些引腳向處理器提交中斷請求。

但是PCI總線規(guī)范沒有規(guī)定PCI設(shè)備的INTx信號如何與中斷控制器的IRQ_PINx#信號相連，這為系統(tǒng)軟件的設(shè)計帶來了一定的困難，為此系統(tǒng)軟件使用中斷路由表存放PCI設(shè)備的INTx信號與中斷控制器的連接關(guān)系。在x86處理器系統(tǒng)中，BIOS可以提供這個中斷路由表，而在PowerPC處理器中Firmware也可以提供這個中斷路由表。

在一些簡單的嵌入式處理器系統(tǒng)中，F(xiàn)irmware并沒有提供中斷路由表，此時系統(tǒng)軟件開發(fā)者需要事先了解PCI設(shè)備的INTx信號與中斷控制器的連接關(guān)系。此時外部設(shè)備與中斷控制器的連接關(guān)系由硬件設(shè)計人員指定。

我們假設(shè)在一個處理器系統(tǒng)中，共有3個PCI插槽(分別為PCI插槽A、B和C)，這些PCI插槽與中斷控制器的IRQ_PINx引腳(分別為IRQW#、IRQX#、IRQY#和IRQZ#)可以按照圖15所示的拓撲結(jié)構(gòu)進行連接。

采用圖15所示的拓撲結(jié)構(gòu)時，PCI插槽A、B、C的INTA#、INTB#和INTC#信號將分散連接到中斷控制器的IRQW#、IRQX#和IRQY#信號，而所有INTD#信號將共享一個IRQZ#信號。采用這種連接方式時，整個處理器系統(tǒng)使用的中斷請求信號，其負載較為均衡。而且這種連接方式保證了每一個插槽的INTA#信號都與一根獨立的IRQx#信號對應(yīng)，從而提高了PCI插槽中斷請求的效率。

在一個處理器系統(tǒng)中，多數(shù)PCI設(shè)備僅使用INTA#信號，很少使用INTB#和INTC#信號，而INTD#信號更是極少使用。在PCI總線中，PCI設(shè)備配置空間的Interrupt Pin寄存器記錄該設(shè)備究竟使用哪個INTx信號，該寄存器的詳細介紹見第2.3.2節(jié)。

1.2 中斷信號與PCI總線的連接關(guān)系

在PCI總線中，INTx信號屬于邊帶信號。所謂邊帶信號是指這些信號在PCI總線中是可選信號，而且只能在一個處理器系統(tǒng)的內(nèi)部使用，并不能離開這個處理器環(huán)境。PCI橋也不會處理這些邊帶信號。這給PCI設(shè)備將中斷請求發(fā)向處理器帶來了一些困難，特別是給掛接在PCI橋之下的PCI設(shè)備進行中斷請求帶來了一些麻煩。

在一些嵌入式處理器系統(tǒng)中，這個問題較易解決。因為嵌入式處理器系統(tǒng)很清楚在當前系統(tǒng)中存在多少個PCI設(shè)備，這些PCI設(shè)備使用了哪些中斷資源。在多數(shù)嵌入式處理器系統(tǒng)中，PCI設(shè)備的數(shù)量小于中斷控制器提供的外部中斷請求引腳數(shù)，而且在嵌入式系統(tǒng)中，多數(shù)PCI設(shè)備僅使用INTA#信號提交中斷請求。

在這類處理器系統(tǒng)中，可能并不含有PCI橋，因而PCI設(shè)備的中斷請求信號與中斷控制器的連接關(guān)系較易確定。而在這類處理器系統(tǒng)中，即便存在PCI橋，來自PCI橋之下的PCI設(shè)備的中斷請求也較易處理。

在多數(shù)情況下，嵌入式處理器系統(tǒng)使用的PCI設(shè)備僅使用INTA#信號進行中斷請求，所以只要將這些INTA#信號掛接到中斷控制器的獨立IRQ_PIN#引腳上即可。這樣每一個PCI設(shè)備都可以獨占一個單獨的中斷引腳。

而在x86處理器系統(tǒng)中，這個問題需要BIOS參與來解決。在x86處理器系統(tǒng)中，有許多PCI插槽，處理器系統(tǒng)并不知道在這些插槽上將要掛接哪些PCI設(shè)備，而且也并不知道這些PCI設(shè)備到底需不需要使用所有的INTx#信號線。因此x86處理器系統(tǒng)必須要對各種情況進行處理。

x86處理器系統(tǒng)還經(jīng)常使用PCI橋進行PCI總線擴展，擴展出來的PCI總線還可能掛接一些PCI插槽，這些插槽上INTx#信號仍然需要處理。PCI橋規(guī)范并沒有要求橋片傳遞其下PCI設(shè)備的中斷請求。事實上多數(shù)PCI橋也沒有為下游PCI總線提供中斷引腳INTx#，管理其下游總線的PCI設(shè)備。但是PCI橋規(guī)范推薦使用表13建立下游PCI設(shè)備的INTx信號與上游PCI總線INTx信號之間的映射關(guān)系。

表13 PCI設(shè)備INTx#信號與PCI總線INTx#信號的映射關(guān)系

我們舉例說明該表的含義。在PCI橋下游總線上的PCI設(shè)備，如果其設(shè)備號為0，那么這個設(shè)備的INTA#引腳將和PCI總線的INTA#引腳相連；如果其設(shè)備號為1，其INTA#引腳將和PCI總線的INTB#引腳相連；如果其設(shè)備號為2，其INTA#引腳將和PCI總線的INTC#引腳相連；如果其設(shè)備號為3，其INTA#引腳將和PCI總線的INTD#引腳相連。

在x86處理器系統(tǒng)中，由BIOS或者APCI表記錄PCI總線的INTA~D#信號與中斷控制器之間的映射關(guān)系，保存這個映射關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)也被稱為中斷路由表。大多數(shù)BIOS使用表13中的映射關(guān)系，這也是絕大多數(shù)BIOS支持的方式。如果在一個x86處理器系統(tǒng)中，PCI橋下游總線的PCI設(shè)備使用的中斷映射關(guān)系與此不同，那么系統(tǒng)軟件程序員需要改動BIOS中的中斷路由表。

BIOS初始化代碼根據(jù)中斷路由表中的信息，可以將PCI設(shè)備使用的中斷向量號寫入到該PCI設(shè)備配置空間的Interrupt Line register寄存器中，該寄存器將在第2.3.2節(jié)中介紹。

1.3 中斷請求的同步

在PCI總線中，INTx信號是一個異步信號。所謂異步是指INTx信號的傳遞并不與PCI總線的數(shù)據(jù)傳送同步，即INTx信號的傳遞與PCI設(shè)備使用的CLK#信號無關(guān)。這個“異步”信號給系統(tǒng)軟件的設(shè)計帶來了一定的麻煩。

系統(tǒng)軟件程序員需要注意“異步”這種事件，因為幾乎所有“異步”事件都會帶來系統(tǒng)的“同步”問題。以圖11為例，當PCI設(shè)備11使用DMA寫方式，將一組數(shù)據(jù)寫入存儲器時，該設(shè)備在最后一個數(shù)據(jù)離開PCI設(shè)備11的發(fā)送FIFO時，會認為DMA寫操作已經(jīng)完成。此時這個設(shè)備將通過INTx信號，通知處理器DMA寫操作完成。

此時處理器(驅(qū)動程序的中斷服務(wù)例程)需要注意，因為INTx信號是一個異步信號，當處理器收到INTx信號時，并不意味著PCI設(shè)備11已經(jīng)將數(shù)據(jù)寫入存儲器中，因為PCI設(shè)備11的數(shù)據(jù)傳遞需要通過PCI橋1和HOST主橋，最終才能到達存儲器控制器。

而INTx信號是“異步”發(fā)送給處理器的，PCI總線并不知道這個“異步”事件何時被處理。很有可能處理器已經(jīng)接收到INTx信號，開始執(zhí)行中斷處理程序時，該PCI設(shè)備還沒有完全將數(shù)據(jù)寫入存儲器。

因為“PCI設(shè)備向處理器提交中斷請求”與“將數(shù)據(jù)寫入存儲器”分別使用了兩個不同的路徑，處理器系統(tǒng)無法保證哪個信息率先到達。從而在處理器系統(tǒng)中存在“中斷同步”的問題，PCI總線提供了以下兩種方法解決這個同步問題。

(1) PCI設(shè)備保證在數(shù)據(jù)到達目的地之后，再提交中斷請求。

顯然這種方法不僅加大了硬件的開銷，而且也不容易實現(xiàn)。如果PCI設(shè)備采用Posted寫總線事務(wù)，PCI設(shè)備無法單純通過硬件邏輯判斷數(shù)據(jù)什么時候?qū)懭氲酱鎯ζ?。此時為了保證數(shù)據(jù)到達目的地后，PCI設(shè)備才能提交中斷請求，PCI設(shè)備需要使用“讀刷新”的方法保證數(shù)據(jù)可以到達目的地，其方法如下。

PCI設(shè)備在提交中斷請求之前，向DMA寫的數(shù)據(jù)區(qū)域發(fā)出一個讀請求，這個讀請求總線事務(wù)將被PCI設(shè)備轉(zhuǎn)換為讀完成總線事務(wù)，當PCI設(shè)備收到這個讀完成總線事務(wù)后，再向處理器提交中斷請求。PCI總線的“序”機制保證這個存儲器讀請求，會將DMA數(shù)據(jù)最終寫入存儲器，有關(guān)PCI序的詳細說明見第9.3節(jié)。

PCI總線規(guī)范要求HOST主橋和PCI橋必須保證這種讀操作可以刷新寫操作。但問題是，沒有多少芯片設(shè)計者愿意提供這種機制，因為這將極大地增加他們的設(shè)計難度。除此之外，使用這種方法也將增加中斷請求的延時。

(2) 中斷服務(wù)例程使用“讀刷新”方法。

中斷服務(wù)例程在使用“PCI設(shè)備寫入存儲器”的這些數(shù)據(jù)之前，需要對這個PCI設(shè)備進行讀操作。這個讀操作也可以強制將數(shù)據(jù)最終寫入存儲器，實際上是將數(shù)據(jù)寫到存儲器控制器中。這種方法利用了PCI總線的傳送序規(guī)則，這種方法與第1種方法基本相同，只是使用這種方法使用軟件方式，而第1種方式使用硬件方式。第9.3節(jié)將詳細介紹這個讀操作如何將數(shù)據(jù)刷新到存儲器中。

第2種方法也是絕大多數(shù)處理器系統(tǒng)采用的方法。程序員在書寫中斷服務(wù)例程時，往往都是先讀取PCI設(shè)備的中斷狀態(tài)寄存器，判斷中斷產(chǎn)生原因之后，才對PCI設(shè)備寫入的數(shù)據(jù)進行操作。這個讀取中斷狀態(tài)寄存器的過程，一方面可以獲得設(shè)備的中斷狀態(tài)，另一方面是保證DMA寫的數(shù)據(jù)最終到達存儲器。如果驅(qū)動程序不這樣做，就可能產(chǎn)生數(shù)據(jù)完整性問題。產(chǎn)生這種數(shù)據(jù)完整性問題的原因是INTx這個異步信號。

這里也再次提醒系統(tǒng)程序員注意PCI總線的“異步”中斷所帶來的數(shù)據(jù)完整性問題。在一個操作系統(tǒng)中，即便中斷處理程序沒有首先讀取PCI設(shè)備的寄存器，也多半不會出現(xiàn)問題，因為在操作系統(tǒng)中，一個PCI設(shè)備從提交中斷到處理器開始執(zhí)行設(shè)備的中斷服務(wù)例程，所需要的時間較長，處理器系統(tǒng)基本上可以保證此時數(shù)據(jù)已經(jīng)寫入存儲器。

但是如果系統(tǒng)程序員不這樣做，這個驅(qū)動程序依然有Bug存在，盡管這個Bug因為各種機緣巧合，始終不能夠暴露出來，而一旦這些Bug被暴露出來將難以定位。為此系統(tǒng)程序員務(wù)必要重視設(shè)計中出現(xiàn)的每一個實現(xiàn)細節(jié)，當然僅憑謹慎小心是遠遠不夠的，因為重視細節(jié)的前提是充分理解這些細節(jié)。

PCI總線V2.2規(guī)范還定義了一種新的中斷機制，即MSI中斷機制。MSI中斷機制采用存儲器寫總線事務(wù)向處理器系統(tǒng)提交中斷請求，其實現(xiàn)機制是向HOST處理器指定的一個存儲器地址寫指定的數(shù)據(jù)。這個存儲器地址一般是中斷控制器規(guī)定的某段存儲器地址范圍，而且數(shù)據(jù)也是事先安排好的數(shù)據(jù)，通常含有中斷向量號。

HOST主橋會將MSI這個特殊的存儲器寫總線事務(wù)進一步翻譯為中斷請求，提交給處理器。目前PCIe和PCI-X設(shè)備必須支持MSI中斷機制，但是PCI設(shè)備并不一定都支持MSI中斷機制。

目前MSI中斷機制雖然在PCIe總線上已經(jīng)成為主流，但是在PCI設(shè)備中并不常用。即便是支持MSI中斷機制的PCI設(shè)備，在設(shè)備驅(qū)動程序的實現(xiàn)中也很少使用這種機制。首先PCI設(shè)備具有INTx#信號可以傳遞中斷，而且這種中斷傳送方式在PCI總線中根深蒂固。其次PCI總線是一個共享總線，傳遞MSI中斷需要占用PCI總線的帶寬，需要進行總線仲裁等一系列過程，遠沒有使用INTx#信號線直接。

但是使用MSI中斷機制可以取消PCI總線這個INTx#邊帶信號，可以解決使用INTx中斷機制所帶來的數(shù)據(jù)完整性問題。而更為重要的是，PCI設(shè)備使用MSI中斷機制，向處理器系統(tǒng)提交中斷請求的同時，還可以通知處理器系統(tǒng)產(chǎn)生該中斷的原因，即通過不同中斷向量號表示中斷請求的來源。當處理器系統(tǒng)執(zhí)行中斷服務(wù)例程時，不需要讀取PCI設(shè)備的中斷狀態(tài)寄存器，獲得中斷請求的來源，從而在一定程度上提高了中斷處理的效率。本書將在第8章詳細介紹MSI中斷機制。

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