中断请求的同步-优化PCIExpress体系结构导读

2025-09-30 理论教育版权反馈

【摘要】：PCI设备保证在数据到达目的地之后，再提交中断请求。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。本书将在第10章详细介绍MSI中断机制。

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，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11.3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。(https://www.chuimin.cn)

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，与第1种方法基本相同，只是这种方法使用软件方式，而第1种方式使用硬件方式。第11.3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。程序员在编写中断服务例程时，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，另一方面可以保证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，尽管这些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重视设计中的每一个实现细节，当然仅凭小心谨慎是远远不够的，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10章详细介绍MSI中断机制。

中断请求的同步-优化PCIExpress体系结构导读

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