來自核心文件/Documentation/pci/MSI-HOWTO.txt
1. 什麼是MSI
MSI全稱Message Signaled Interrupt。
當設備向一個特殊位址寫入時，會向CPU產生一個中斷，即也MSI中斷。
MSI能力最初在PCI 2.2裡定義，在PCI 3.0裡被強化，使得每個中斷都可以單獨控制。
PCI 3.0還引入了MSI-X能力，相比MSI，每個設備可以支援更多的中斷，並且可以獨立配置。
設備可以同時支援MSI和MSI-X，但同一時刻只能使能其中一種。
2. 為什麼使用MSI
與傳統引腳中斷相比，有三個方面的優勢。
基於引腳的PCI中斷經常在幾個設備間共用，核心必須調用與該中斷相關的每一個中斷處理函數，降低了效率。MSI不是共用的，所以不存在這個問題。
當設備向記憶體寫入資料，然後發起引腳中斷時，有可能在CPU收到中斷時，資料還未到達記憶體（在PCI-PCI橋後的設備更有可能如此）。為了保證資料已達記憶體，中斷處理常式必須輪詢產生該中斷的設備的一個寄存器，PCI事務保序規則會確保所有資料到達記憶體後，寄存器才會返回值。
使用MSI時，產生中斷的寫不能越過資料寫，因而避免了這個問題。當中斷產生時，驅動可以確信所有資料已經到達記憶體。
PCI的每個功能設備只支援一個基於引腳的中斷，驅動常常需要查詢設備來確定發生的事件，降低了中斷處理的效率。通過MSI，一個設備可以支援多個中斷，這樣可以為不同的使用不同的中斷。比如：
1. 給不常發生的事件（如錯誤）指定獨立的中斷，這樣驅動可以正常中斷路徑進行更有效的處理。
2. 給網卡的每個報文佇列或者存儲控制器的每個埠分配中斷。
3. 如何使用MSI
PCI設備初始化為使用基於引腳的中斷，設備驅動需要將設備配置為使用MSI或MSI-X。不是所有的設備可以完整支援MSI，下面有些API就直接返回失敗，因此仍然使用基於引腳的中斷。
3.1 核心提供MSI支援
核心需要配置CONFIG_PCI_MSI以支援MSI或者MSI-X，該配置是否可以配置受架構和其它一些配置的影響。
3.2 使用MSI
大部分工作在PCI層的驅動裡完成，只需要請求PCI層為設備設置MSI能力即可。
3.2.1 pci_enable_msi
int pci_enable_msi(struct pci_dev *dev)
這個調用只給設備分配一個中斷，不管設備支援多少個MSI中斷。設備會從基於引腳中斷模式切換為MSI模式。dev->irq會賦予一個新的代表MSI的編號。
在驅動需要在調用request_irq()之前調用這個介面。因為打開MSI中斷的同時會禁用引腳中斷IRQ，驅動因此不會收到舊的中斷。
3.2.2 pci_enable_msi_block
int pci_enable_msi_block(struct pci_dev *dev, int count)
這個介面是pci_enable_msi的變種，它可以請求多個MSI中斷。MSI規範要求中斷必須以2的冪分配，最多為2^5(32)。
如果函數返回0，則表示成功分配了不少於驅動請求的中斷數量（可能會大於請求數量）。該函數打開設備的MSI，並將中斷組的最小編號賦給dev->irq，該設備的中斷範圍為dev->irq至dev->irq + count - 1。
如果函數返回負值，表示設備無法提供更多的中斷，驅動不應試圖再去請求。如果返回的是正值，這個值會小於count，表示目前最分配的最大中斷數量。對這於兩種情況，函數都不會更新irq值，設備也不會切換到MSI模式。
設備驅動必須要正確處理上述第二種情況。在中斷數量不夠的情況下，有的設備尚可工作，驅動就應再次調用pci_enable_msi_block()。不過由於一些限制，第二次調用未必也可以成功。
3.2.3 pci_disable_msi
void pci_disable_msi(struct pci_dev *dev)
該函數的功能是撤銷pci_enable_msi()或pci_enable_msi_block()的工作。它恢復dev->irq為引腳中斷號，釋放此前分配的MSI。中斷號之後有可能分配給其它設備，因此驅動不應保留dev->irq的值。
驅動必須調用free_irq()以釋放之前request_irq()分配的中斷號。否則會產生BUG_ON()，設備將繼續保持MSI使能，並洩露中斷向量。
3.3 使用MSI-X
MSI-X能力比MSI更為靈活，它支援2048個中斷，每個中斷都可以單獨控制。要支援這種能力，驅動必須使用結構陣列struct msix_entry。
[cpp] view plaincopyprint?
- struct msix_entry {
- u16 vector; /* kernel uses to write alloc vector */
- u16 entry; /* driver uses to specify entry */
- }
[cpp] view plaincopyprint?
- struct msix_entry {
- u16 vector; /* kernel uses to write alloc vector */
- u16 entry; /* driver uses to specify entry */
- }
struct msix_entry {
u16 vector; /* kernel uses to write alloc vector */
u16 entry; /* driver uses to specify entry */
}
這個定義允許設備以分散的方式使用中斷（比如使用中斷3和1027，只需分配兩個陣列元素）。驅動負責填充陣列各元素的entry部分，以使核心為其分配中斷。不能給多個entry賦予相同的編號。
3.3.1 pci_enable_msix
int pci_enable_msix(struct pci_dev *dev, struct msix_entry *entries, int nvec)
該函數向PCI子系統請求分配nvec個MSI中斷。入參entries指向結構陣列，元素個數不少於nvec。函數返回0表示調用成功，設備被切換至MSI-X中斷模式，陣列元素中的vector欄位也被填充為中斷號。驅動接下來為每個需要使用的vector調用request_irq()。
如果函數返回負值，則表示出錯，驅動不應再從該設備申請分配MSI-X中斷。如果返回的是正值，則表示最大可以分配的中斷數。
該函數與pci_enable_msi()不同之處在於它不修改dev->irq，一旦MSI-X使能後，dev->irq這個中斷號不會再產生中斷。驅動需要記錄已分配的MSI-X中斷號，以保證後續的資源釋放。
一般來說，驅動在設備初始化時調用一次該函數。
由於種種原因，核心有可能無法提供驅動所要求的中斷數量，一個好的驅動應該能夠處理可變數量的MSI-X中斷。下面是一個例子：
[cpp] view plaincopyprint?
- staticint foo_driver_enable_msix(struct foo_adapter *adapter, int nvec)
- {
- while (nvec >= FOO_DRIVER_MINIMUM_NVEC)
- {
- rc = pci_enable_msix(adapter->pdev, adapter->msix_entries, nvec);
- if (rc > 0)
- nvec = rc;
- else
- return rc;
- }
- return -ENOSPC;
- }
[cpp] view plaincopyprint?
- static int foo_driver_enable_msix(struct foo_adapter *adapter, int nvec)
- {
- while (nvec >= FOO_DRIVER_MINIMUM_NVEC)
- {
- rc = pci_enable_msix(adapter->pdev, adapter->msix_entries, nvec);
- if (rc > 0)
- nvec = rc;
- else
- return rc;
- }
- return -ENOSPC;
- }
static int foo_driver_enable_msix(struct foo_adapter *adapter, int nvec)
{
while (nvec >= FOO_DRIVER_MINIMUM_NVEC)
{
rc = pci_enable_msix(adapter->pdev, adapter->msix_entries, nvec);
if (rc > 0)
nvec = rc;
else
return rc;
}
return -ENOSPC;
}
3.3.2 pci_disable_msix
void pci_disable_msix(struct pci_dev *dev)
這個函數的作用是撤銷pci_enable_msix()的工作，它釋放之前分配的MSI中斷。同樣，釋放的中斷號後續可能會分配給其它設備，驅動不應再記錄使用這些中斷號。
在調用這個函數之前，驅動必須調用free_irq()以釋放request_irq()分配的中斷號，否則會產生BUG_ON，設備將維持在MSI使能的狀態，並洩漏中斷向量。
3.3.3 MSI-X表
MSI-X能力指定了一個BAR及BAR內偏移量用於訪問MSI-X表，這個位址由PCI子系統映射，驅動不應該直接訪問。如果驅動想遮罩或者開啟一個中斷，應該調用disable_irq()/enable_irq()。
3.4 處理同時支援MSI和MSI-X能力的設備
如果設備同時支援MSI和MSI-X，則可以運行在MSI模式或者MSI-X模式下，但不能同時運行，這是PCI規則的要求，因此PCI層也進行了限制。在MSI-X使能的情況下調用pci_enable_msi()或者在MSI使能的情況下調用pci_enable_msix()將產生錯誤。如果設備驅動在運行時希望在MSI和MSI-X之間切換，它必須先停止設備，然後將其切換為引腳中斷模式，然後再通過pci_enable_msi()或pci_enable_msix()進入MSI或MSI-X模式。這種操作並不常見，在開發過程中用於調試/測試。
3.5 使用MSI的考慮
3.5.1 選擇MSI-X和MSI
如果設備同時支援MSI-X和MSI能力，應優先考慮使用MSI-X。MSI-X支持1~2048間任意數量的中斷，而MSI只支持32個中斷（並且必須是2的冪）。MSI中斷必須是連續分配的，系統不能像MSI-X那樣分配這麼多的中斷向量。在某些平臺上，MSI中斷只能發送給一個CPU組，MSI-X中斷可以發給不同的CPU。
3.5.2 spinlock
多數驅動為每個設備定義了一個spinlock，在中斷處理函數中取鎖，對於引腳中斷或者單個MSI中斷，不需要禁用中斷（Linux保證同一個中斷不會重入）。如果設備使用了多個中斷，驅動在持鎖期間必須禁用中斷，否則在設備產生另一個中斷時，驅動會遞迴取鎖從而產生鎖死。
有兩個解決方法，一個是使用spin_lock_irqsave()或spin_lock_irq()，另一個是在request_irq()調用時指定IRQF_DISABLED，核心會在禁用中斷的環境下完成整個中斷處理過程。
如果MSI中斷處理常式不在整個過程中持鎖，使用第一種方法是最好的。如果想避免在中斷禁用/使能狀態間切換，則選擇第二種方法。
3.6 如何得知設備的MSI/MSI-X已經使能
使用lspci -v。有些設備會顯示"MSI"、"Message Signaled Interrupts"或者"MSI-X"能力，使能的會在前面顯示+，禁用的會顯示"-"。
4. MSI quirks
一些PCI晶片或設備不支援MSI，PCI子系統提供了三種方法禁用MSI：
1. 全域禁用
2. 禁用特定橋之下的所有設備
3. 禁用某個設備
4.1 全域禁用
有些host晶片不能正確支援MSI，如果廠家在ACPI FADT表中明確了，Linux會自動禁用MSI。有些單板沒有在這個表包含這樣的資訊，需要自己檢測，這些都列在drivers/pci/quriks.c中的quirk_disable_all_msi()中了。
如果單板在MSI支持上有問題，可以在核心命令參數里加上pci=nomsi以禁用所有設備的MSI。
4.2 禁用特定橋之下的所有設備
有些PCI橋不能在匯流排間正確地傳遞MSI，這種情況必須禁用該橋之下所有設備的MSI。
有些橋允許通過配置空間的某些位元來使能MSI。在可能的情況下，Linux會儘量打開host晶片的MSI支援。如果某個橋片Linux並不識別，而你確定它可以使用MSI，可以通過下面的命令打開MSI支持。
echo 1 > /sys/bus/pci/devices/$bridge/msi_bus
$bridge是橋的PCI地址（比如0000:00:0e.0）。
要禁用MSI，使用echo 0即可。
4.3 禁用某個設備
如果某些設備已知在MSI實現上有問題，一般是在設備驅動裡處理，如果有必要，也可以在quirk裡處理。
4.4 設備MSI被禁用的原因查找
除上述情況外，還有很多原因會導致一個設備的MSI沒有使能，第一步應該仔細檢查dmesg，看MSI有沒有使能，還要檢查CONFIG_PCI_MSI配置有沒有打開。
通過lspci -t可以查看設備之上的橋，讀取/sys/bus/pci/devices/*/msi_bus看MSI是否使能了。
檢查設備驅動是否支援MSI，比如是否調用了pci_enable_msi(), pci_enable_msix()或者pci_enable_msi_block()等等。
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