基于PCIE4C的数据传输（三）——使用遗留中断与MSI中断

本文继续基于PCIE4C IP核实现主机（RHEL 8.9）与FPGA（Xilinx Ultrascale+HBM VCU128开发板）间DMA数据传输时的中断控制。本文分为三个部分：FPGA设计、驱动程序设计、上板测试。

FPGA设计

基于PCIE4C的数据传输（二）------DMA一文实现了主机与FPGA间通过PCIe进行DMA数据传输：主机通过将DMA相关描述字段写入FPGA指定地址后，由FPGA工作进行批量的数据搬运，主机会每隔一段时间T后通过PCIe访问FPGA指定地址的DMA工作状态字段判断DMA是否完成。

上述判断DMA是否完成的过程存在可以优化的地方，若主机等待时间T较小，主机通过PCIe访问FPGA指定地址的方式会占用CPU、PCIe总线的资源；若主机等待时间T较大，则会影响DMA传输的效率。为此，本文尝试使用中断解决该问题。

PCIe协议中共存在三种中断方式：遗留中断（Legacy Interrupt）、MSI中断、MSIX中断。其功能按顺序越来越多，本文介绍PCIE4C提供的专用遗留中断与MSI中断接口的使用方式。

IP核配置及相关引脚说明

遗留中断与MSI中断的配置需要进行如下配置，其中遗留中断继承自PCI协议，包括四个中断引脚INTA、INTB、INTC、INTD，每个PCIe设备只能使用1个中断引脚，这里均配置为INTA。MSI中断引入了中断向量的概念，个人认为相当于为每个PCIe设备引入了32个中断，本文仅使用1个中断，故配置为1 vector。

在完成上述配置后，IP核会引出pcie4_cfg_interrupt、pcie4_cfg_msi两组引脚，可结合手册相关章节使用。

对于遗留中断，主要会用到如下四个信号，cfg_interrupt_int与cfg_interrupt_pending信号的四个比特由低到高对应INTA-D，由于配置选择INTA，因此这里只能使用0比特位。在cfg_interrupt_int与cfg_interrupt_pending信号拉高后，PCIE4C核会产生ASSERT_INTA的TLP报文给主机。在确认主机收到该报文后，cfg_interrupt_sent首次拉高。在经过一段合适的时间后（本文选择32个时钟周期），cfg_interrupt_int与cfg_interrupt_pending信号同时拉低，PCIE4C核会产生DEASSERT_INTA的TLP报文给主机，在确认主机收到该报文后，cfg_interrupt_sent二次拉高。中断过程结束。

由于遗留中断在主机启用MSI/MSIX中断后可以关闭，PCIE4C IP核提供了cfg_function_status信号用于告知用户逻辑遗留中断是否被启用。

对于MSI中断，主要用到信号如下。

FPGA代码实现

根据上述描述，可写出FPGA相关代码，在每次DMA操作结束后，通过调用中断产生模块产生一个合适的中断。

状态机如下：

c 复制代码

    always @(*) begin
        case (fsm_r)
        RESET: begin
            if (rst) begin
                fsm_s = RESET;
            end else begin
                fsm_s = IDLE;
            end
        end
        IDLE: begin
            if (irq_valid & irq_ready) begin
                case ({cfg_interrupt_msi_enable, cfg_interrupt_msix_enable})
                2'b00: begin    // legacy INTx
                    if (|(irq_func)) begin
                         fsm_s = SEND_LEGACY_INTR;
                    end else begin
                        fsm_s = IDLE;
                    end
                end
                2'b01: begin    // MSI-X
                    if (|(irq_func & cfg_interrupt_msix_enable)) begin
                        fsm_s = SEND_MSIX_INTR;
                    end else begin
                        fsm_s = IDLE;
                    end
                end
                2'b10,          // MSI
                2'b11: begin    // illegal, but msi
                    if (|(irq_func & cfg_interrupt_msi_enable)) begin
                        fsm_s = SEND_MSI_INTR;
                    end else begin
                        fsm_s = IDLE;
                    end
                end
                endcase
            end else begin
                fsm_s = IDLE;
            end
        end
        SEND_LEGACY_INTR: begin
            if (cfg_interrupt_sent) begin 
                fsm_s = WAIT_LEGACY_INTR;
            end else begin
                fsm_s=  SEND_LEGACY_INTR;
            end
        end
        WAIT_LEGACY_INTR: begin
            if (cfg_interrupt_sent) begin 
                fsm_s = IDLE;
            end else begin
                fsm_s = WAIT_LEGACY_INTR;
            end
        end
        SEND_MSI_INTR: begin
            fsm_s = WAIT_MSI_INTR;
        end
        WAIT_MSI_INTR: begin
            if (cfg_interrupt_msi_sent | cfg_interrupt_msi_fail) begin 
                fsm_s = IDLE;
            end else begin
                fsm_s = WAIT_MSI_INTR;
            end
        end
        default: fsm_s = RESET;
        endcase
    end

驱动程序设计

本文基于linux（RHEL8.9）开发，驱动程序的设计依然可参考Kernel.org关于PCI驱动的介绍，对于遗留中断向量号的获取，可参考StackOverflow。

对于遗留中断，可以采用如下方式使用：

c 复制代码

            printk("start create legacy interrupt");
            // pci_read_config_byte(dev, PCI_INTERRUPT_LINE, &pcieirq);
            pcieirq = dev->irq; 
            free_irq(pcieirq, (void*)legacy_irq_handler);                                                   // clear exist pending interrupt (if any)
            ret = request_irq(pcieirq, legacy_irq_handler, 0, "test_driver", (void*)legacy_irq_handler);    // associate handler and enable irq
            if (ret != 0) { 
                printk("cannot register irq %d", ret);
                goto irq_alloc_err; 
            }

            printk("finish create legacy interrupt");

对于MSI中断，可以使用如下方式使用：

c 复制代码

            printk("start create msi interrupt");
            ret = pci_alloc_irq_vectors(dev, MIN_VEC_NUM, MAX_VEC_NUM, PCI_IRQ_MSI); // allocate specific amount of interrupts
            if (ret < MIN_VEC_NUM) { // real allocated interrupts amount
                printk("cannot register enough irq %d", ret);
                goto irq_alloc_err; 
            }

            pcieirq = pci_irq_vector(dev, 0); // get IRQ number

            free_irq(pcieirq, (void*)legacy_irq_handler);                                                   // clear exist pending interrupt (if any)
            ret = request_irq(pcieirq, legacy_irq_handler, 0, "test_driver", (void*)legacy_irq_handler);    // associate handler and enable irq
            if (ret != 0) { 
                printk("cannot register irq %d", ret);
                goto irq_alloc_err; 
            }

            printk("finish create msi interrupt");

上板测试

对于遗留中断，每次DMA传输完成后产生波形如下：

在驱动侧，相关输出如下：

工程代码

完整代码可于同名公众号回复PCIE4C_IRQ获取。