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实测Windows 7操作系统响应PCIe中断的最小时间间隔

雪夜

雪夜

发布时间:2025-09-02 08:07:19

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来源于php中文网

原创

准备工作

准备工作以及中断原理与流程与上一篇vxworks版本一致,不同的是这次的windows版本下中断的中断流程添加了开关保护。

上次文章链接:干货!实测VxWorks响应PCIe中断的最小时间间隔

硬件平台环境如下图所示,采用两台带有以太网口的设备相连,一端是PC机插有PCIe的FPGA开发板,运行Windows操作系统;另一端是嵌入式设备,运行VxWorks操作系统。

实测Windows 7操作系统响应PCIe中断的最小时间间隔

1、嵌入式设备

母板为P2020开发板,PCIe板卡为黑金Xilinx Artix-7 PCIE AX7103 FPGA开发板,运行VxWorks操作系统。

实测Windows 7操作系统响应PCIe中断的最小时间间隔

2、PC端

电脑主机一台,拆开(机箱比较脏,见谅),通过PCIe连线连到黑金Xilinx Artix-7 PCIE AX7103 FPGA开发板上,运行Win7操作系统。

实测Windows 7操作系统响应PCIe中断的最小时间间隔

两台设备之间通过双冗余的网线连接。

中断处理流程

在上面的环境中,按照以太网帧传递过程中的需求,任何一端的中断处理都包含三个不同的主体,首先是CPU内核的中断响应机制,然后是加上操作系统之后对中断响应的处理又有操作系统的要求,之后是PCIe硬件设备也有一套向CPU操作系统发送中断的规范。任何一方的中断处理机制都可以写很长很长的文字去描述,本文在此不再赘述。

PCIe总线支持两种中断方式,传统的INTx中断和基于存储器写请求的中断请求机制即消息中断。本文的设计方案中使用的是传统的INTx中断。为了叙述上的方便,我们从FPGA的时序图的角度去描述中断的处理流程,具体分为主机(PCIe发给主机的中断信号)、PCIe硬核、驱动来配置的中断使能信号、FPGA侧的中断源。下图是具体的主机操作系统为VxWorks时FPGA开发板与主机的中断交互流程。

实测Windows 7操作系统响应PCIe中断的最小时间间隔

1)FPGA侧有三个中断源可以触发中断,分别是DMA写开始、DMA写完成和DMA读完成中断,其中,写开始中断源是FPGA告知主机此时有数据要通过DMA写操作进行上传;写完成中断是FPGA将所有的数据封装成DMA写请求包;读完成中断是FPGA收齐了所有来自主机的DMA读完成包。上图中“1”处是中断源mwr_start_interrupt拉高了。

2)任意一个中断源拉高,FPGA侧给PCIe IP核配置“置中断”时序,在cfg_interrupt和cfg_interrupt_rdy握手成功后,cfg_interrupt_assert为高则为置中断。(cfg_interrupt为PCIe硬核发给主机的中断请求,cfg_interrupt_rdy为主机接收到中断请求后的回应,此时需要看cfg_interrupt_assert的状态,cfg_interrupt_assert为高,则为置中断,如上图中“2”处所示;cfg_interrupt_assert为低电平,则为清中断请求,如上图中“5”处所示。)

3)“置中断”后一段时间(此处约为17个时钟),主机侧硬中断电平INTA拉高,此时才是FPGA板卡真正的向主机发出了一个中断。如上图中“3”。

4)驱动检测到中断电平拉高后,以PIO写操作的方式往PCIe的BAR空间中控制状态寄存器04H的第[31]位写1,关闭接收中断功能,此时中断使能信号线int_dis_o拉高,如上图中“4”位置。int_dis_o为高电平期间,CPU不再响应FPGA板卡的中断请求,此处非常重要。之后CPU则以PIO读的形式读FPGA的中断状态寄存器。

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5)FPGA将中断状态寄存器的值以PIO读完成包形式发送给CPU,告知CPU该中断具体为何种中断,同时配置“清中断”时序。如上图中“5”处所示。

6)CPU驱动记录中断源后复位相应中断标志位,如上图中“6”处所示。(此处也可由FPGA自己完成)

7)FPGA拉低相应中断源信号,如上图中“7”处所示。

8)CPU驱动通过PIO写操作往控制状态寄存器04H第[31]位写0,重新开启接收中断功能。如上图中“8”处所示。

9)重复步骤1)启动下一次中断;10)下一次置中断时序;11)硬中断电平再次拉高。

下图为一次完整的DMA读操作时CPU与FPGA板卡之间的交互流程,最后会涉及到DMA读完成中断,详细过程的描述略。

实测Windows 7操作系统响应PCIe中断的最小时间间隔
Windows操作系统下PCIe中断响应间隔测试

这次在Windows平台下的驱动添加上了开/关中断使能的功能,测试在点播视频场景下的中断间隔。

场景:点播视频

实测Windows 7操作系统响应PCIe中断的最小时间间隔

同样的道理,我们在Win32环境下的PCIe驱动设置开关中断,硬件这边抓取两次相邻置中断时序间的最小时钟间隔。

实测Windows 7操作系统响应PCIe中断的最小时间间隔

受限于采样窗口大小,图示中只采样到DMA读完成中断后半段和DMA写开始中断前半段时序。具体来说,mrd_done_interrupt为高后产生置中断时序,驱动检测到硬中断电平INTA为高,驱动PIO写操作拉高int_dis_o,关闭中断使能,硬件不再产生置中断时序,驱动PIO读取48H中断状态寄存器识别读完成中断源,硬件自行产生清中断时序将INTA电平拉低,驱动复位读完成中断源(序1),驱动跳出中断服务程序后PIO写操作拉低int_dis_o,重新使能中断(序2);此时紧接着有写开始中断mwr_start_interrupt为高,硬件侧只有在int_dis_o为低时才立即产生下一次置中断时序(序3),驱动检测到硬中断电平INTA为高,驱动PIO写操作拉高int_dis_o(序4),关闭中断使能,硬件不再产生置中断时序,驱动PIO读48H中断状态寄存器识别写开始中断源,硬件自行产生清中断时序将INTA电平拉低(序5),驱动复位写开始中断源,驱动跳出中断服务程序后PIO写操作拉低int_dis_o,结束相邻的这次写开始中断。

我们将图示黄线中放大可以得到上一次DMA读完成置中断时序和此次DMA写开始置中断时序的时钟计数,进而得到win下驱动最短中断间隔。

实测Windows 7操作系统响应PCIe中断的最小时间间隔

可以看出两次置中断间隔时钟计数为828,因此我们可以计算得到此次相邻两中断最小间隔为828*16=13.25us。另外多次采样最小中断间隔时序,最小中断间隔时钟计数625,662,761,811,895,1218,1958,对应的中断间隔为(10.00us-31.33us)。

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