原创 PCI-Express总线的中断机制

       PCI-Express总线的中断机制在PCI-X总线的基础上又进行了发展，PCI-X总线提出了传统PCI总线中断机制存在的低效问题，并且引入了MSI机制，通过“主动通知”的方法告诉处理器发生中断事件的中断向量号。PCI-Express是串行总线，该总线完全丢弃了传统PCI总线的INTA~INTD中断信号线，继承了PCI-X总线的MSI机制，并且兼容了传统设备的中断方法，提出了“虚拟中断线”的概念。因此，在以PCI-Express为核心的计算机体系结构中，传统的PCI设备还可以向处理器发送INTA的中断事件，但是这种中断事件会在PCI Bridge处被转换成“虚拟中断线”，即Bridge会向处理器发送一个中断消息。中断消息是一种TLP层的事务，这种中断消息（interrupt message）模拟了中断信号线的assert和deassert行为。

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       MSI机制在前面的文章中有所阐述。MSI（Message Signal Interrupt）最早是在PCI-X中线中提出的，MSI机制的实现需要设备、桥以及PCI总线驱动的支持，在PCI设备中必须实现MSI的配置表单链，其本质是PCI配置空间的扩展，因为规范根本不知道一个设备可以支持多少中断，所以无法在配置空间中为其预留数据存储空间，因此采用了链表的数据存储方法。在配置空间中有MSI配置空间链表头，一个PCI设备需要申请多少中断向量，就需要在配置空间链表上挂接多少个MSI配置表单。简单示意图如下所示：

       PCI配置扫描软件在获取设备配置空间信息之后会扫描得到MSI配置链表，并且为每个MSI配置分配中断向量号以及设备向处理器提交中断向量号的地址信息。MSI配置空间很简单，其关键信息只有两项：一项为提交中断向量号的地址，该地址信息会兼容32位和64位系统；另一项就是具体的中断向量号。有了这两项信息之后，当一个设备需要向处理器发送中断请求时，只需向MSI配置空间中指定的地址空间写入CPU分配的中断向量号，然后根复合体会触发处理器的PCI中断。处理器进入PCI中断上下文，从触发事件的地址空间中获取中断向量号，然后直接调用发起中断请求设备的中断服务程序，无需中断事件的I/O查询，节约了中断处理的时间。

       从PCI-Express的事务层来看，MSI中断机制采用存储器写的方式提交中断请求，没有采用TLP的消息机制（虚拟中断线的方法采用了消息机制）。采用MSI中断机制需要注意PCI-Express的请求乱序执行的机制。PCI-X对PCI总线进行优化的过程中提出了请求乱序执行的方法，PCI-Express也继承了PCI-X的这一机制。交换节点在处理请求事务时会缓冲请求，并且引入QOS的机制，这样总线上的多个请求可能会被乱序执行。乱序执行会对MSI中断产生影响，因为MSI中断请求和普通的数据IO都可能是存储器写事务，如果MSI中断较引发中断的读写IO先抵达处理器，那么处理中断服务程序会处理老数据，因为新的数据可能还在总线上，这会导致错误的数据处理。这对该问题可以有两种解决方法，本质上都应用了TLP报文头中的TC标记。在PCI-Express规范中，交换节点对于具有相同TC标记的事务不会乱序处理，应用该特点可以解决上述问题。

       在如今的PCI-Express体系结构中还存在很多非PCI-Express的设备，为了兼容该类设备，PCI-Express协议规范提出了“虚拟中断线”的机制。该机制与传统的PCI中断机制类似，只不过将物理的中断线通过TLP消息来模拟。例如一个传统的PCI设备触发INTA向处理器提交中断请求，那么INTA信号会在PCI-Bridge处被转换成一个含有assert INTA的消息，最后由根复合体触发处理器。中断清除时设备再向处理器发送一个含有deassert INTA的消息。这种机制从软件的层面上来看没有变化，从硬件层面上来看，原来通过物理信号传播的INTA转变成了一个事件报文。对于交换节点而言，需要注意一个问题，传统INTA信号是共享的，也就是多个设备的INTA信号是开漏输出的电路形式，最后线与产生请求信号。所以，交换开关同样需要模拟这种行为，其向处理器提交的消息也需要经过“线与”处理，这对于交换开关来说也不是什么难题。

       PCI-Express的中断机制较传统PCI的中断机制复杂了不少，其主要采用如上两种机制。大家还有什么补充的？

（本文为《谈谈PCI-Express总线技术》的续文，未完待续。。。）