MSI及MSIX详解

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. 什么是MSI

MSI全称Message Signaled Interrupt。
当设备向一个特殊地址写入时，会向CPU产生一个中断，即也MSI中断。
MSI能力最初在PCI 2.2里定义，在PCI 3.0里被强化，使得每个中断都可以单独控制。
PCI 3.0还引入了MSI-X能力，相比MSI，每个设备可以支持更多的中断，并且可以独立配置。

设备可以同时支持MSI和MSI-X，但同一时刻只能使能其中一种。

2. 为什么使用MSI

与传统引脚中断相比，有三个方面的优势。

基于引脚的PCI中断经常在几个设备间共享，内核必须调用与该中断相关的每一个中断处理函数，降低了效率。MSI不是共享的，所以不存在这个问题。
当设备向内存写入数据，然后发起引脚中断时，有可能在CPU收到中断时，数据还未到达内存（在PCI-PCI桥后的设备更有可能如此）。为了保证数据已达内存，中断处理程序必须轮询产生该中断的设备的一个寄存器，PCI事务保序规则会确保所有数据到达内存后，寄存器才会返回值。使用MSI时，产生中断的写不能越过数据写，因而避免了这个问题。当中断产生时，驱动可以确信所有数据已经到达内存。
PCI的每个功能设备只支持一个基于引脚的中断，驱动常常需要查询设备来确定发生的事件，降低了中断处理的效率。通过MSI，一个设备可以支持多个中断，这样可以为不同的使用不同的中断。比如：
a.给不常发生的事件（如错误）指定独立的中断，这样驱动可以正常中断路径进行更有效的处理。
b.给网卡的每个报文队列或者存储控制器的每个端口分配中断,提高中断效率。

3. 如何使用MSI

PCI设备初始化为使用基于引脚的中断，设备驱动需要将设备配置为使用MSI或MSI-X。不是所有的设备可以完整支持MSI，下面有些API就直接返回失败，因此仍然使用基于引脚的中断。

3.1 内核提供MSI支持

内核需要配置CONFIG_PCI_MSI以支持MSI或者MSI-X，该配置是否可以配置受架构和其它一些配置的影响。

3.2 使用MSI

大部分工作在PCI层的驱动里完成，只需要请求PCI层为设备设置MSI能力即可。

3.2.1 pci_enable_msi

int pci_enable_msi(struct pci_dev *dev) 这个调用只给设备分配一个中断，不管设备支持多少个MSI中断。设备会从基于引脚中断模式切换为MSI模式。dev->irq会赋予一个新的代表MSI的编号。

在驱动需要在调用request_irq()之前调用这个接口。因为打开MSI中断的同时会禁用引脚中断IRQ，驱动因此不会收到旧的中断。

3.2.2 pci_enable_msi_block

int pci_enable_msi_block(struct pci_dev *dev, int count)这个接口是pci_enable_msi的变种，它可以请求多个MSI中断。MSI规范要求中断必须以2的幂分配，最多为2^5(32)。
如果函数返回0，则表示成功分配了不少于驱动请求的中断数量（可能会大于请求数量）。该函数打开设备的MSI，并将中断组的最小编号赋给dev->irq，该设备的中断范围为dev->irq至dev->irq + count - 1。
如果函数返回负值，表示设备无法提供更多的中断，驱动不应试图再去请求。如果返回的是正值，这个值会小于count，表示目前最分配的最大中断数量。对这于两种情况，函数都不会更新irq值，设备也不会切换到MSI模式。

设备驱动必须要正确处理上述第二种情况。在中断数量不够的情况下，有的设备尚可工作，驱动就应再次调用pci_enable_msi_block()。不过由于一些限制，第二次调用未必也可以成功。

3.2.3 pci_disable_msi

void pci_disable_msi(struct pci_dev *dev)
该函数的功能是撤消pci_enable_msi()或pci_enable_msi_block()的工作。它恢复dev->irq为引脚中断号，释放此前分配的MSI。中断号之后有可能分配给其它设备，因此驱动不应保留dev->irq的值。

驱动必须调用free_irq()以释放之前request_irq()分配的中断号。否则会产生BUG_ON()，设备将继续保持MSI使能，并泄露中断向量。

3.3 使用MSI-X

MSI-X能力比MSI更为灵活，它支持2048个中断，每个中断都可以单独控制。要支持这种能力，驱动必须使用结构数组struct msix_entry。

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struct msix_entry {
u16 vector; /* kernel uses to write alloc vector */
u16 entry; /* driver uses to specify entry */
}

这个定义允许设备以分散的方式使用中断（比如使用中断3和1027，只需分配两个数组元素）。驱动负责填充数组各元素的entry部分，以使内核为其分配中断。不能给多个entry赋予相同的编号。

3.3.1 pci_enable_msix

int pci_enable_msix(struct pci_dev *dev, struct msix_entry *entries, int nvec)
该函数向PCI子系统请求分配nvec个MSI中断。入参entries指向结构数组，元素个数不少于nvec。函数返回0表示调用成功，设备被切换至MSI-X中断模式，数组元素中的vector字段也被填充为中断号。驱动接下来为每个需要使用的vector调用request_irq()。
如果函数返回负值，则表示出错，驱动不应再从该设备申请分配MSI-X中断。如果返回的是正值，则表示最大可以分配的中断数。
该函数与pci_enable_msi()不同之处在于它不修改dev->irq，一旦MSI-X使能后，dev->irq这个中断号不会再产生中断。驱动需要记录已分配的MSI-X中断号，以保证后续的资源释放。
一般来说，驱动在设备初始化时调用一次该函数。
由于种种原因，内核有可能无法提供驱动所要求的中断数量，一个好的驱动应该能够处理可变数量的MSI-X中断。下面是一个例子：

static int foo_driver_enable_msix(struct foo_adapter *adapter, int nvec)
{ while (nvec >= FOO_DRIVER_MINIMUM_NVEC) { rc = pci_enable_msix(adapter->pdev, adapter->msix_entries, nvec); if (rc > 0) nvec = rc; else return rc; } return -ENOSPC;
}

3.3.2 pci_disable_msix

void pci_disable_msix(struct pci_dev *dev)
这个函数的作用是撤销pci_enable_msix()的工作，它释放之前分配的MSI中断。同样，释放的中断号后续可能会分配给其它设备，驱动不应再记录使用这些中断号。

在调用这个函数之前，驱动必须调用free_irq()以释放request_irq()分配的中断号，否则会产生BUG_ON，设备将维持在MSI使能的状态，并泄漏中断向量。

3.3.3 MSI-X表

MSI-X能力指定了一个BAR及BAR内偏移量用于访问MSI-X表，这个地址由PCI子系统映射，驱动不应该直接访问。如果驱动想屏蔽或者开启一个中断，应该调用disable_irq()/enable_irq()。

3.4 处理同时支持MSI和MSI-X能力的设备

如果设备同时支持MSI和MSI-X，则可以运行在MSI模式或者MSI-X模式下，但不能同时运行，这是PCI规则的要求，因此PCI层也进行了限制。在MSI-X使能的情况下调用pci_enable_msi()或者在MSI使能的情况下调用pci_enable_msix()将产生错误。如果设备驱动在运行时希望在MSI和MSI-X之间切换，它必须先停止设备，然后将其切换为引脚中断模式，然后再通过pci_enable_msi()或pci_enable_msix()进入MSI或MSI-X模式。这种操作并不常见，在开发过程中用于调试/测试。

3.5 使用MSI的考虑

3.5.1 选择MSI-X和MSI

如果设备同时支持MSI-X和MSI能力，应优先考虑使用MSI-X。MSI-X支持1~2048间任意数量的中断，而MSI只支持32个中断（并且必须是2的冪）。MSI中断必须是连续分配的，系统不能像MSI-X那样分配这么多的中断向量。在某些平台上，MSI中断只能发送给一个CPU组，MSI-X中断可以发给不同的CPU。

3.5.2 spinlock

多数驱动为每个设备定义了一个spinlock，在中断处理函数中取锁，对于引脚中断或者单个MSI中断，不需要禁用中断（Linux保证同一个中断不会重入）。如果设备使用了多个中断，驱动在持锁期间必须禁用中断，否则在设备产生另一个中断时，驱动会递归取锁从而产生死锁。
有两个解决方法，一个是使用spin_lock_irqsave()或spin_lock_irq()，另一个是在request_irq()调用时指定IRQF_DISABLED，内核会在禁用中断的环境下完成整个中断处理过程。

如果MSI中断处理程序不在整个过程中持锁，使用第一种方法是最好的。如果想避免在中断禁用/使能状态间切换，则选择第二种方法。

3.6 如何得知设备的MSI/MSI-X已经使能

使用lspci -v。有些设备会显示"MSI"、“Message Signaled Interrupts"或者"MSI-X"能力，使能的会在前面显示+，禁用的会显示”-"。

4. MSI quirks

一些PCI芯片或设备不支持MSI，PCI子系统提供了三种方法禁用MSI：

全局禁用
禁用特定桥之下的所有设备
禁用某个设备

4.1 全局禁用

有些host芯片不能正确支持MSI，如果厂家在ACPI FADT表中明确了，Linux会自动禁用MSI。有些单板没有在这个表包含这样的信息，需要自己检测，这些都列在drivers/pci /quriks.c中的quirk_disable_all_msi()中了。

如果单板在MSI支持上有问题，可以在内核命令参数里加上pci=nomsi以禁用所有设备的MSI。

4.2 禁用特定桥之下的所有设备

有些PCI桥不能在总线间正确地传递MSI，这种情况必须禁用该桥之下所有设备的MSI。
有些桥允许通过配置空间的某些位来使能MSI。在可能的情况下，Linux会尽量打开host芯片的MSI支持。如果某个桥片Linux并不识别，而你确定它可以使用MSI，可以通过下面的命令打开MSI支持。
echo 1 > /sys/bus/pci/devices/$bridge/msi_bus
$bridge是桥的PCI地址（比如0000:00:0e.0）。

要禁用MSI，使用echo 0即可。

4.3 禁用某个设备

如果某些设备已知在MSI实现上有问题，一般是在设备驱动里处理，如果有必要，也可以在quirk里处理。

4.4 设备MSI被禁用的原因查找

除上述情况外，还有很多原因会导致一个设备的MSI没有使能，第一步应该仔细检查dmesg，看MSI有没有使能，还要检查CONFIG_PCI_MSI配置有没有打开。
通过lspci -t可以查看设备之上的桥，读取/sys/bus/pci/devices/*/msi_bus看MSI是否使能了。
检查设备驱动是否支持MSI，比如是否调用了pci_enable_msi(), pci_enable_msix()或者pci_enable_msi_block()等等。