【PCIe 总线及设备入门学习专栏 4.5 -- PCIe Message and PCIe MSI】

PCIe Message 与 MSI

本文将介绍 PCIe message 的作用以及message 与 MSI 的关系，再介绍 MSI 如何配置以及MSI有哪些寄存器，及MSI 与 ARM 中的GIC的关系。

PCIe Message 和 MSI 的作用与关系

1. PCIe Message 的作用
   PCI Express（PCIe）是一种高速串行总线，其中使用消息传递（Message）机制代替了传统并行总线中的引脚信号。例如，传统 PCI 总线使用专门的引脚传递中断请求（IRQ 信号），而 PCIe 则通过发送消息完成中断、错误报告等功能。

• 主要用途：

  1. 中断通知 ：用来代替传统中断引脚方式，比如 MSI (Message Signaled Interrupt)。

  2. 系统错误报告 ：例如热插拔事件、数据链路错误等，PCIe 协议定义了诸如 ERR_COR, ERR_FATAL 等错误消息。

  3. 电源管理 ：通知设备的电源状态变化（例如进入低功耗模式）。

  4. 配置和控制 ：例如在 Root Complex 和 Endpoint 之间交换消息。

2. Message 和 MSI 的关系
   MSI（Message Signaled Interrupt）是 PCIe 中实现中断的一种机制，其作用是通过消息代替传统硬件信号（中断引脚）来通知 CPU 发生了中断。

• 传统中断的劣势 ：

  1. 中断引脚数量有限，不适合扩展。

  2. 在共享引脚的情况下，中断源需要额外的软件逻辑确定具体来源。

• MSI 的优势 ：

  1. 消除了中断引脚的物理限制，可以通过消息的形式支持更多中断源。

  2. 支持多个中断向量（MSI-X 可以支持多达 2048 个中断）。

  3. 提高了效率，特别是在多核系统中，可以将中断直接路由到特定的核。

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MSI 的配置与寄存器

1. MSI 配置步骤
   MSI 的配置是在设备的配置空间完成的，包括如下步骤：

2. 启用 MSI 功能 ：

• 设置设备的配置空间中的 MSI Control 字段以启用 MSI。

2. 设置中断向量 ：

• 为设备分配一个或多个中断向量，这些中断向量会映射到 CPU 的中断控制器。

3. 设置消息地址与消息数据 ：

• Message Address：CPU 或中断控制器的地址，用于接收中断消息。

• Message Data：与中断向量相关联的数据。

4. 启用中断：

• 配置完成后，设备可以生成 MSI 消息通知中断。

2. 相关寄存器
   MSI 的相关寄存器位于 PCI 配置空间（Capability Structure）中，主要包括：

• MSI Control 寄存器 ：

  • 是否启用 MSI。

  • 是否支持多向量 MSI。

• Message Address 寄存器 ：

  • 存储中断消息的目的地址，通常为 CPU 或中断控制器的地址。

• Message Data 寄存器 ：

  • 包含中断向量值或其它与中断相关的信息。

• MSI-X 表 （针对 MSI-X）：

  • 用于存储多个向量地址和数据。

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MSI 和 ARM GIC 的关系

在 ARM 架构中，常用的中断控制器是 GIC （Generic Interrupt Controller），其主要作用是管理和分发中断。在 PCIe 系统中，MSI 由 PCIe 设备发送，最终需要被 GIC 处理。1. GIC 的作用

• GIC 接收 PCIe 发出的 MSI。

• 将 MSI 转换为对应的中断 ID，分发到对应的 CPU。

• GIC 负责中断优先级管理、中断屏蔽、中断分发等功能。

2. 工作流程
3. PCIe 设备生成 MSI 消息 ：

• 包括 Message Address 和 Message Data。

• Message Address 配置为 GICD 中对应的中断管理地址。

2. GIC 解析 MSI 消息 ：

• GIC 使用 MSI 的 Message Data 解析出具体的中断 ID。

3. 中断分发 ：

• GIC 将解析的中断分发到特定的 CPU。

• 多核系统下，可以基于中断 ID 将中断发送到指定核。

3. GIC 配置 MSI 示例
   以典型系统为例：

• Message Address ：PCIe MSI 地址配置为 GICD 的物理地址。

• Message Data ：设置为 GIC 的中断 ID。

• 配置完成后，PCIe 中断通过 MSI 触发，最终由 GIC 接收并处理。

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示例：MSI 在 ARM GIC 的实际应用

场景 ：网络设备触发中断通知 CPU 处理数据包。

1. PCIe 网络设备 ：

• 分配 MSI，中断向量为 32，对应 ARM GIC 的中断号。

2. MSI 消息内容 ：

• Message Address：0xF400_0000（假设为 GIC 中 MSI 接收地址）。

• Message Data：32。

3. 系统行为 ：

• 网络设备检测到数据包到达，通过 PCIe 总线发送 MSI 消息。

• GIC 收到 Message Address 和 Message Data，将其映射为中断 ID。

• 中断 ID 32 被分发到指定的 CPU 核处理。

通过上述流程，中断从 PCIe 设备传递到 CPU，实现了高效的中断通知。

总结

• PCIe 消息 在 PCIe 中取代了传统硬件引脚信号，MSI 是其典型应用。

• MSI 配置 涉及 Message Address 和 Message Data，存储在设备配置空间中。

• MSI 与 GIC 的结合 使得 PCIe 设备与 ARM 架构协同工作，为高效的中断处理提供了支持。

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