原创 1.4 PCI总线的中断机制

PCI总线使用INTA#、INTB#、INTC#和INTD#信号向处理器发出中断请求。这些中断请求信号为低电平有效，并与处理器的中断控制器连接。在PCI体系结构中，这些中断信号属于边带信号(Sideband Signals)，PCI总线规范并没有明确规定在一个处理器系统中如何使用这些信号，因为这些信号对于PCI总线是可选信号。PCI设备还可以使用MSI机制向处理器提交中断请求，而不使用这组中断信号。有关MSI机制的详细说明见第8章。

1.4.1 中断信号与中断控制器的连接关系

不同的处理器使用的中断控制器不同，如x86处理器使用APIC(Advanced Programmable Interrupt Controller)中断控制器，而PowerPC处理器使用MPIC(Multiprocessor Interrupt Controller)中断控制器。这些中断控制器都提供了一些外部中断请求引脚IRQ_PINx#。外部设备，包括PCI设备可以使用这些引脚向处理器提交中断请求。

但是PCI总线规范没有规定PCI设备的INTx信号如何与中断控制器的IRQ_PINx#信号相连，这为系统软件的设计带来了一定的困难，为此系统软件使用中断路由表存放PCI设备的INTx信号与中断控制器的连接关系。在x86处理器系统中，BIOS可以提供这个中断路由表，而在PowerPC处理器中Firmware也可以提供这个中断路由表。

在一些简单的嵌入式处理器系统中，Firmware并没有提供中断路由表，此时系统软件开发者需要事先了解PCI设备的INTx信号与中断控制器的连接关系。此时外部设备与中断控制器的连接关系由硬件设计人员指定。

我们假设在一个处理器系统中，共有3个PCI插槽(分别为PCI插槽A、B和C)，这些PCI插槽与中断控制器的IRQ_PINx引脚(分别为IRQW#、IRQX#、IRQY#和IRQZ#)可以按照图1‑5所示的拓扑结构进行连接。

采用图1‑5所示的拓扑结构时，PCI插槽A、B、C的INTA#、INTB#和INTC#信号将分散连接到中断控制器的IRQW#、IRQX#和IRQY#信号，而所有INTD#信号将共享一个IRQZ#信号。采用这种连接方式时，整个处理器系统使用的中断请求信号，其负载较为均衡。而且这种连接方式保证了每一个插槽的INTA#信号都与一根独立的IRQx#信号对应，从而提高了PCI插槽中断请求的效率。

在一个处理器系统中，多数PCI设备仅使用INTA#信号，很少使用INTB#和INTC#信号，而INTD#信号更是极少使用。在PCI总线中，PCI设备配置空间的Interrupt Pin寄存器记录该设备究竟使用哪个INTx信号，该寄存器的详细介绍见第2.3.2节。

1.4.2 中断信号与PCI总线的连接关系

在PCI总线中，INTx信号属于边带信号。所谓边带信号是指这些信号在PCI总线中是可选信号，而且只能在一个处理器系统的内部使用，并不能离开这个处理器环境。PCI桥也不会处理这些边带信号。这给PCI设备将中断请求发向处理器带来了一些困难，特别是给挂接在PCI桥之下的PCI设备进行中断请求带来了一些麻烦。

在一些嵌入式处理器系统中，这个问题较易解决。因为嵌入式处理器系统很清楚在当前系统中存在多少个PCI设备，这些PCI设备使用了哪些中断资源。在多数嵌入式处理器系统中，PCI设备的数量小于中断控制器提供的外部中断请求引脚数，而且在嵌入式系统中，多数PCI设备仅使用INTA#信号提交中断请求。

在这类处理器系统中，可能并不含有PCI桥，因而PCI设备的中断请求信号与中断控制器的连接关系较易确定。而在这类处理器系统中，即便存在PCI桥，来自PCI桥之下的PCI设备的中断请求也较易处理。

在多数情况下，嵌入式处理器系统使用的PCI设备仅使用INTA#信号进行中断请求，所以只要将这些INTA#信号挂接到中断控制器的独立IRQ_PIN#引脚上即可。这样每一个PCI设备都可以独占一个单独的中断引脚。

而在x86处理器系统中，这个问题需要BIOS参与来解决。在x86处理器系统中，有许多PCI插槽，处理器系统并不知道在这些插槽上将要挂接哪些PCI设备，而且也并不知道这些PCI设备到底需不需要使用所有的INTx#信号线。因此x86处理器系统必须要对各种情况进行处理。

x86处理器系统还经常使用PCI桥进行PCI总线扩展，扩展出来的PCI总线还可能挂接一些PCI插槽，这些插槽上INTx#信号仍然需要处理。PCI桥规范并没有要求桥片传递其下PCI设备的中断请求。事实上多数PCI桥也没有为下游PCI总线提供中断引脚INTx#，管理其下游总线的PCI设备。但是PCI桥规范推荐使用表1‑3建立下游PCI设备的INTx信号与上游PCI总线INTx信号之间的映射关系。

表1‑3 PCI设备INTx#信号与PCI总线INTx#信号的映射关系

设备号	PCI设备的INTx#信号	PCI总线的INTx#信号
0, 4, 8, 12, 16, 20, 24, 28	INTA#	INTA#
	INTB#	INTB#
	INTC#	INTC#
	INTD#	INTD#
1, 5, 9, 13, 17, 21, 25, 29	INTA#	INTB#
	INTB#	INTC#
	INTC#	INTD#
	INTD#	INTA#
2, 6, 10, 14, 18, 22, 26, 30	INTA#	INTC#
	INTB#	INTD#
	INTC#	INTA#
	INTD#	INTB#
3, 7, 11, 15, 19, 23, 27, 31	INTA#	INTD#
	INTB#	INTA#
	INTC#	INTB#
	INTD#	INTC#

我们举例说明该表的含义。在PCI桥下游总线上的PCI设备，如果其设备号为0，那么这个设备的INTA#引脚将和PCI总线的INTA#引脚相连；如果其设备号为1，其INTA#引脚将和PCI总线的INTB#引脚相连；如果其设备号为2，其INTA#引脚将和PCI总线的INTC#引脚相连；如果其设备号为3，其INTA#引脚将和PCI总线的INTD#引脚相连。

在x86处理器系统中，由BIOS或者APCI表记录PCI总线的INTA~D#信号与中断控制器之间的映射关系，保存这个映射关系的数据结构也被称为中断路由表。大多数BIOS使用表1‑3中的映射关系，这也是绝大多数BIOS支持的方式。如果在一个x86处理器系统中，PCI桥下游总线的PCI设备使用的中断映射关系与此不同，那么系统软件程序员需要改动BIOS中的中断路由表。

BIOS初始化代码根据中断路由表中的信息，可以将PCI设备使用的中断向量号写入到该PCI设备配置空间的Interrupt Line register寄存器中，该寄存器将在第2.3.2节中介绍。

1.4.3 中断请求的同步

在PCI总线中，INTx信号是一个异步信号。所谓异步是指INTx信号的传递并不与PCI总线的数据传送同步，即INTx信号的传递与PCI设备使用的CLK#信号无关。这个“异步”信号给系统软件的设计带来了一定的麻烦。

系统软件程序员需要注意“异步”这种事件，因为几乎所有“异步”事件都会带来系统的“同步”问题。以图1‑1为例，当PCI设备11使用DMA写方式，将一组数据写入存储器时，该设备在最后一个数据离开PCI设备11的发送FIFO时，会认为DMA写操作已经完成。此时这个设备将通过INTx信号，通知处理器DMA写操作完成。

此时处理器(驱动程序的中断服务例程)需要注意，因为INTx信号是一个异步信号，当处理器收到INTx信号时，并不意味着PCI设备11已经将数据写入存储器中，因为PCI设备11的数据传递需要通过PCI桥1和HOST主桥，最终才能到达存储器控制器。

而INTx信号是“异步”发送给处理器的，PCI总线并不知道这个“异步”事件何时被处理。很有可能处理器已经接收到INTx信号，开始执行中断处理程序时，该PCI设备还没有完全将数据写入存储器。

因为“PCI设备向处理器提交中断请求”与“将数据写入存储器”分别使用了两个不同的路径，处理器系统无法保证哪个信息率先到达。从而在处理器系统中存在“中断同步”的问题，PCI总线提供了以下两种方法解决这个同步问题。

(1) PCI设备保证在数据到达目的地之后，再提交中断请求。

显然这种方法不仅加大了硬件的开销，而且也不容易实现。如果PCI设备采用Posted写总线事务，PCI设备无法单纯通过硬件逻辑判断数据什么时候写入到存储器。此时为了保证数据到达目的地后，PCI设备才能提交中断请求，PCI设备需要使用“读刷新”的方法保证数据可以到达目的地，其方法如下。

PCI设备在提交中断请求之前，向DMA写的数据区域发出一个读请求，这个读请求总线事务将被PCI设备转换为读完成总线事务，当PCI设备收到这个读完成总线事务后，再向处理器提交中断请求。PCI总线的“序”机制保证这个存储器读请求，会将DMA数据最终写入存储器，有关PCI序的详细说明见第9.3节。

PCI总线规范要求HOST主桥和PCI桥必须保证这种读操作可以刷新写操作。但问题是，没有多少芯片设计者愿意提供这种机制，因为这将极大地增加他们的设计难度。除此之外，使用这种方法也将增加中断请求的延时。

(2) 中断服务例程使用“读刷新”方法。

中断服务例程在使用“PCI设备写入存储器”的这些数据之前，需要对这个PCI设备进行读操作。这个读操作也可以强制将数据最终写入存储器，实际上是将数据写到存储器控制器中。这种方法利用了PCI总线的传送序规则，这种方法与第1种方法基本相同，只是使用这种方法使用软件方式，而第1种方式使用硬件方式。第9.3节将详细介绍这个读操作如何将数据刷新到存储器中。

第2种方法也是绝大多数处理器系统采用的方法。程序员在书写中断服务例程时，往往都是先读取PCI设备的中断状态寄存器，判断中断产生原因之后，才对PCI设备写入的数据进行操作。这个读取中断状态寄存器的过程，一方面可以获得设备的中断状态，另一方面是保证DMA写的数据最终到达存储器。如果驱动程序不这样做，就可能产生数据完整性问题。产生这种数据完整性问题的原因是INTx这个异步信号。

这里也再次提醒系统程序员注意PCI总线的“异步”中断所带来的数据完整性问题。在一个操作系统中，即便中断处理程序没有首先读取PCI设备的寄存器，也多半不会出现问题，因为在操作系统中，一个PCI设备从提交中断到处理器开始执行设备的中断服务例程，所需要的时间较长，处理器系统基本上可以保证此时数据已经写入存储器。

但是如果系统程序员不这样做，这个驱动程序依然有Bug存在，尽管这个Bug因为各种机缘巧合，始终不能够暴露出来，而一旦这些Bug被暴露出来将难以定位。为此系统程序员务必要重视设计中出现的每一个实现细节，当然仅凭谨慎小心是远远不够的，因为重视细节的前提是充分理解这些细节。

PCI总线V2.2规范还定义了一种新的中断机制，即MSI中断机制。MSI中断机制采用存储器写总线事务向处理器系统提交中断请求，其实现机制是向HOST处理器指定的一个存储器地址写指定的数据。这个存储器地址一般是中断控制器规定的某段存储器地址范围，而且数据也是事先安排好的数据，通常含有中断向量号。

HOST主桥会将MSI这个特殊的存储器写总线事务进一步翻译为中断请求，提交给处理器。目前PCIe和PCI-X设备必须支持MSI中断机制，但是PCI设备并不一定都支持MSI中断机制。

目前MSI中断机制虽然在PCIe总线上已经成为主流，但是在PCI设备中并不常用。即便是支持MSI中断机制的PCI设备，在设备驱动程序的实现中也很少使用这种机制。首先PCI设备具有INTx#信号可以传递中断，而且这种中断传送方式在PCI总线中根深蒂固。其次PCI总线是一个共享总线，传递MSI中断需要占用PCI总线的带宽，需要进行总线仲裁等一系列过程，远没有使用INTx#信号线直接。

但是使用MSI中断机制可以取消PCI总线这个INTx#边带信号，可以解决使用INTx中断机制所带来的数据完整性问题。而更为重要的是，PCI设备使用MSI中断机制，向处理器系统提交中断请求的同时，还可以通知处理器系统产生该中断的原因，即通过不同中断向量号表示中断请求的来源。当处理器系统执行中断服务例程时，不需要读取PCI设备的中断状态寄存器，获得中断请求的来源，从而在一定程度上提高了中断处理的效率。本书将在第8章详细介绍MSI中断机制。