PCI設(shè)備是如何連接到PIC/IOAPIC的中斷引腳上呢？

PCI中斷路由

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PCI設(shè)備中斷

PCI spec為每個(gè)PCI設(shè)備定義了四個(gè)中斷引腳，分別是INTA#，INTB#，INTC#和INTD#，如圖：

如果PCI設(shè)備為單功能設(shè)備，則必須使用INTA#，對(duì)于多功能設(shè)備,各功能設(shè)備可任意接至PCI 總線的四條中斷申請(qǐng)線INTA# - INTD# 。那么如何設(shè)定某個(gè)PCI設(shè)備的某個(gè)功能使用那個(gè)中斷引腳呢？實(shí)際上這個(gè)是由PCI設(shè)備制造商決定的，并不能由主板固件后期更改。我們翻出PCI體系結(jié)構(gòu)文中介紹的PCI配置空間，在其中interrupt pin會(huì)告知主板固件該func使用了哪個(gè)引腳，如圖中紅色圈標(biāo)注：

一個(gè)PCI設(shè)備可以有8個(gè)func，而4個(gè)終端引腳意味著中斷共享不可避免。PCI為了方便中斷共享，定義中斷是電平觸發(fā)，低電平有效。中斷信號(hào)與PCI CLK異步，設(shè)備一旦Assert為低，則要維持低電平狀態(tài)，直到驅(qū)動(dòng)程序清除這個(gè)中斷請(qǐng)求。這樣PCI中斷可以為通過(guò)鏈的方式來(lái)共享，某個(gè)設(shè)備中斷處理完畢后將其電平置高，只有該中斷信號(hào)上所有的設(shè)備中斷處理都結(jié)束了，該中斷信號(hào)才能恢復(fù)高電平，整個(gè)中斷處理才能結(jié)束。實(shí)際上中斷共享不僅僅存在PCI設(shè)備各個(gè)func中，假設(shè)系統(tǒng)中有10個(gè)PCI設(shè)備，每個(gè)設(shè)備有4個(gè)中斷引腳，要它們每個(gè)都獨(dú)立意味著中斷控制器需要有40個(gè)引腳。我們通過(guò)前文知道PIC只有15個(gè)引腳，IOAPIC通常有24個(gè)引腳，還有很多保留不可用，而一臺(tái)計(jì)算機(jī)內(nèi)部PCI設(shè)備往往超過(guò)20個(gè)。所以，中斷更需要在設(shè)備之間共享。

讓我們舉個(gè)形象的比喻來(lái)理解中斷共享的處理。想象操作系統(tǒng)中斷處理調(diào)度器是個(gè)嚴(yán)厲的老師，設(shè)備中斷處理例程是一群可愛(ài)的小朋友，他們被按照連接在PIC/IOAPIC引腳數(shù)分成若干排。每個(gè)小朋友手里都有個(gè)按鈕，小朋友想要問(wèn)問(wèn)題，就按下按鈕，老師回答完后他會(huì)再按一下恢復(fù)彈起狀態(tài)。問(wèn)題是老師是個(gè)近視眼，他看不見(jiàn)后面的小朋友。為了解決這個(gè)問(wèn)題，在每排座位前面安裝了個(gè)燈泡，當(dāng)這排小朋友有人的按鍵被按下，燈就亮了。老師上課時(shí)，看見(jiàn)第2排燈亮了，他就停下來(lái)，問(wèn):“第2排第1個(gè)小朋友，是不是你要問(wèn)問(wèn)題？”得到肯定的答復(fù)就解答該小朋友，否定的話就問(wèn)下一個(gè)，如此往復(fù)，直到該排沒(méi)有人有問(wèn)題，燈才滅，老師才能繼續(xù)講課。

看來(lái)在老師沒(méi)有換個(gè)更好的眼鏡或者做個(gè)近視矯正手術(shù)之前這是唯一的辦法了。那么該如何為這些小朋友分組呢，老師把這個(gè)任務(wù)交給了班長(zhǎng)小張。我們幫小張想想，怎么分配才能既公平又上課效率高呢？是不是平均分最好呢？假設(shè)小朋友都很乖，這樣是最好的辦法，但是小張知道班里有個(gè)話癆小朋友--小明，他什么都不懂但問(wèn)題很多，他會(huì)頻繁提問(wèn)。假設(shè)他被分在第3排最后一個(gè)，老師每次看到第3排燈亮了，都從第一個(gè)小朋友問(wèn)，經(jīng)過(guò)了好久才問(wèn)到小明，效率好低，小明每次很久才輪到他也很不滿，上課節(jié)奏整體也被拖慢了!

怎么辦？開(kāi)除小明嗎？可惜小明是校董的兒子，絕對(duì)不能少！讓小明坐第一個(gè)位置嗎？校規(guī)規(guī)定座位是流水席，每排都先來(lái)先坐，再說(shuō)讓小明又高問(wèn)題又多，誰(shuí)坐他后面別想問(wèn)問(wèn)題了，太不公平?？磥?lái)只有給小明開(kāi)小灶了，讓他單獨(dú)坐一排！

世界上沒(méi)有絕對(duì)的公平，在資源捉襟見(jiàn)肘時(shí)會(huì)叫的孩子有奶吃在我們天朝還少嗎？班長(zhǎng)小張也只有做些妥協(xié)了。我們的計(jì)算機(jī)固件和主板硬件工程師在很多時(shí)候就扮演了左右為難的小張的角色，在硬件的限制下，盡量保證系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。他們基于一些簡(jiǎn)單的原則：

A. 公平：盡量減少中斷共享。

B. 效率：緊急或者頻繁的設(shè)備可以獨(dú)占中斷

同時(shí)要充分理解PC系統(tǒng)中絕大多數(shù)設(shè)備都是單功能設(shè)備，所以僅使用INTA#信號(hào)，很少使用INTB#和INTC#信號(hào)，而INTD#信號(hào)更是極少使用。映射INTA#~INTD#到PIC/IOAPIC IRQ的機(jī)制稱為“Swizzling”，它在不同情況下實(shí)現(xiàn)機(jī)制有很大不同，我們分別來(lái)看看。

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PCI/PCIe擴(kuò)展插槽

對(duì)主板上的PCI擴(kuò)展插槽，用戶插入什么設(shè)備，插在哪個(gè)槽內(nèi)都不能在出廠時(shí)確定。我們這里要盡量考慮平衡原則和效率原則。我們將所有插槽的INTA#~INTD#分成四組串聯(lián)起來(lái)如何？這樣離得最近的Slot 1高興了，每個(gè)都是我優(yōu)先！萬(wàn)一有個(gè)用戶把重要的網(wǎng)卡插在slot 4，效率會(huì)嚴(yán)重下降。在充分考慮到PCI設(shè)備絕大多數(shù)都是單功能設(shè)備（僅使用INTA#信號(hào)，很少使用INTB#和INTC#信號(hào)，而INTD#信號(hào)更是極少使用），PCI SIG推薦PCI to PCI bridge后slot連接關(guān)系應(yīng)該組成如下圖：

即Slot1 INTA#->Slot2 INT B#->Slot3 INTC#->Slot4 INTD#等等。這樣，當(dāng)然slot 1還是占些小便宜，但其他slot也有很大機(jī)會(huì)獨(dú)占某個(gè)中斷線(想想為什么)。這種Swizzling是主板設(shè)計(jì)硬件連線決定的，不由主板固件決定，但是主板固件需要了解這些信息。

PCI橋則將它下面的轉(zhuǎn)換結(jié)果INTx轉(zhuǎn)化為本身的INTx，接入芯片組內(nèi)部的Swizzling。PCIe的插槽是1:1對(duì)應(yīng)PCIe root port，PCIe root port可以看作PCI橋，等同處理。

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芯片組內(nèi)部

PCI SIG并沒(méi)有規(guī)定芯片組內(nèi)部Swizzling的規(guī)則，而芯片組內(nèi)部設(shè)備在出廠時(shí)就已經(jīng)確定了，芯片是不是可以hard code一個(gè)中斷路由關(guān)系呢？實(shí)際上有些芯片組就是這么做的，在芯片硬件說(shuō)明書(shū)中注明各種PCI設(shè)備INTx到IRQ的關(guān)系表，BIOS只要照著報(bào)告給OS就可以了。而Intel芯片組提供了更靈活的方式，BIOS可以根據(jù)需要設(shè)置中斷路由，以適應(yīng)不同的應(yīng)用市場(chǎng)。不同的芯片組設(shè)置方法不同，有些給出了幾組應(yīng)用場(chǎng)景，BIOS可以根據(jù)需要選擇一種，而在很早開(kāi)始南橋芯片組ICH/PCH就給出了一種更靈活的方式，就是我們前文提到的PIRQ。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是在ICH/PCH內(nèi)部加入了幾個(gè)新的寄存器：IR寄存器組。IR寄存器組用于設(shè)定芯片組內(nèi)部PCI設(shè)備中斷INTA#-H# 連接到具體PIC/IOAPIC的哪個(gè)引腳上。這樣BIOS就可以根據(jù)面向市場(chǎng)不同重新繪制中斷路由圖了，好方便！

OS接口

班長(zhǎng)小張終于給小朋友排好了座位，他怎么把這些信息告訴各個(gè)老師呢？一個(gè)個(gè)告訴太麻煩，不如把所有情況打印成一張表貼子講臺(tái)上。我們的固件也是通過(guò)表告訴OS的，這里有兩種表。

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MP table

有感于DOS階段中斷設(shè)置的混亂，微軟在推出Win95時(shí)聯(lián)合Intel提出了PCI Interrupt Routing Table的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它的作用就是用來(lái)描述在使用8259中斷控制器的系統(tǒng)下，PCI中斷的路由關(guān)系。它和其他一些表構(gòu)成了傳統(tǒng)的MP table。它只在PIC模式下起作用，而PIC模式已經(jīng)被淘汰，所以它的具體結(jié)構(gòu)我們這里略過(guò)。這里要特別指出的是，固件在提交PIRQ table時(shí)要同步更新PCI配置空間的Interrupt line寄存器，如圖籃圈部分：

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ACPI table

在APIC模式下，固件應(yīng)該通過(guò)ACPI的_PRT（PCI Routing Table） method返回主板上無(wú)論硬件還是固件設(shè)定的中斷路由信息。ACPI spec有示例，但內(nèi)容比較單薄。我們來(lái)看一個(gè)Intel開(kāi)源硬件平臺(tái)Minnowboard MAX固件是怎么處理的。

_PRT代碼如下：

Method(_PRT,0)

{

  If(PICM) {Return(AR00)} // APIC mode

  Return (PR00) // PIC Mode

} // end _PRT

這里判斷如果是PIC模式，返回PR00，如果是APIC模式返回AR00表。PR00和AR00其實(shí)是同一個(gè)中斷路由關(guān)系的兩個(gè)view，其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是一致的。我們單看一下AR00就好：

Name(AR00, Package()

{

// SD Host #0 - eMMC

Package() {0x0010FFFF, 0, 0, 16 },

// SD Host #1 - SDIO

Package() {0x0011FFFF, 0, 0, 17 },

// SD Host #2 - SD Card

Package() {0x0012FFFF, 0, 0, 18 },

// SATA Controller

Package() {0x0013FFFF, 0, 0, 19 },

// xHCI Host

Package() {0x0014FFFF, 0, 0, 20 },

// Low Power Audio Engine

Package() {0x0015FFFF, 0, 0, 21 },

// USB OTG

Package() {0x0016FFFF, 0, 0, 22 },

//

// MIPI-HSI

Package() {0x0017FFFF, 0, 0, 23 },

//

// LPSS2 DMA

// LPSS2 I2C #4

Package() {0x0018FFFF, 0, 0, 17 },

// LPSS2 I2C #1

// LPSS2 I2C #5

Package() {0x0018FFFF, 2, 0, 19 },

// LPSS2 I2C #2

// LPSS2 I2C #6

Package() {0x0018FFFF, 3, 0, 18 },

// LPSS2 I2C #3

// LPSS2 I2C #7

Package() {0x0018FFFF, 1, 0, 16 },

// SeC

Package() {0x001AFFFF, 0, 0, 21 },

//

// High Definition Audio Controller

Package() {0x001BFFFF, 0, 0, 22 },

//

// EHCI Controller

Package() {0x001DFFFF, 0, 0, 23 },

// LPSS DMA

Package() {0x001EFFFF, 0, 0, 19 },

// LPSS I2C #0

Package() {0x001EFFFF, 3, 0, 16 },

// LPSS I2C #1

Package() {0x001EFFFF, 1, 0, 17 },

// LPSS PCM

Package() {0x001EFFFF, 2, 0, 18 },

// LPSS I2S

// LPSS HS-UART #0

// LPSS HS-UART #1

// LPSS SPI

// LPC Bridge

//

// SMBus Controller

Package() {0x001FFFFF, 1, 0, 18 },

//

。。。。

}

通過(guò)這張大表，OS才能確定主板PCI設(shè)備和IRQ的連接關(guān)系。

其他中斷信息

除了中斷路由表之外，還有很多和中斷相關(guān)的信息也需要通過(guò)ACPI向OS報(bào)告

1. LAPIC和IOAPIC

固件需要在ACPI的MADT表里向OS報(bào)告所有的LAPIC和IOAPIC。LAPIC默認(rèn)映射到物理地是0xFEE00000（想想為什么不會(huì)互相沖突？），不需要報(bào)告，只要LAPIC ID即可。需要特別說(shuō)明的是，因?yàn)锳PIC ID不一定從0開(kāi)始，也不一定連續(xù)，所以其值要?jiǎng)討B(tài)枚舉而得。同時(shí)由于很多OS在調(diào)度processor時(shí)是挨個(gè)調(diào)度的，而HT的兩個(gè)thread的APIC ID往往連續(xù)，同時(shí)被調(diào)度效能大大降低，Intel推薦HT的兩個(gè)thread隔開(kāi)報(bào)告。如果多個(gè)CPU socket，情況又有變化，這是系統(tǒng)調(diào)優(yōu)的手段之一，這里不再贅述。

IOAPIC的地址和ID都由固件指定，必選準(zhǔn)確的在MADT里向OS報(bào)告，每個(gè)IOAPIC的GSI偏移量也要報(bào)告。

2. SCI

在Intel的芯片組中，SCI通常缺省占用了中斷9。它的值可以在芯片組的寄存器中修改，并需要通過(guò)FADT報(bào)告OS。因?yàn)檫@是個(gè)特殊指定的中斷，所以在MADT中還要通過(guò)interrupt override節(jié)予以保留。