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PCIe扫盲——PCI总线的中断和错误处理

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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。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。

注:PCI Spec对边带信号的定义如下:

Any signal not part of the PCI specification that connects two or more PCI-compliant agents and has meaning only to those agents.

完整的PCI信号结构图如下:

image.png

中断信号与中断控制器的连接关系

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#)可以按照下图所示的拓扑结构进行连接。 

image.png

此时,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。


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。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桥规范推荐使用下面的表建立下游PCI设备的INTx信号与上游PCI总线INTx信号之间的映射关系。

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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。


PCI总线的错误处理

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PCI设备可以通过奇偶校检来检测到来自AD上的地址或者数据的错误,并通过PERR#或者SERR#报告错误。但是需要注意的是,PCI Spec并未规定任何硬件层面上的错误处理或者恢复机制,因此,这些错误都只能通过软件进行处理。