Documentation/MSI-HOWTO.txt

   1                 The MSI Driver Guide HOWTO
   2         Tom L Nguyen tom.l.nguyen@intel.com
   3                         10/03/2003
   4         Revised Feb 12, 2004 by Martine Silbermann
   5                 email: Martine.Silbermann@hp.com
   6         Revised Jun 25, 2004 by Tom L Nguyen
   7
   8 1. About this guide
   9
  10 This guide describes the basics of Message Signaled Interrupts (MSI),
  11 the advantages of using MSI over traditional interrupt mechanisms,
  12 and how to enable your driver to use MSI or MSI-X. Also included is
  13 a Frequently Asked Questions.
  14
  15 2. Copyright 2003 Intel Corporation
  16
  17 3. What is MSI/MSI-X?
  18
  19 Message Signaled Interrupt (MSI), as described in the PCI Local Bus
  20 Specification Revision 2.3 or latest, is an optional feature, and a
  21 required feature for PCI Express devices. MSI enables a device function
  22 to request service by sending an Inbound Memory Write on its PCI bus to
  23 the FSB as a Message Signal Interrupt transaction. Because MSI is
  24 generated in the form of a Memory Write, all transaction conditions,
  25 such as a Retry, Master-Abort, Target-Abort or normal completion, are
  26 supported.
  27
  28 A PCI device that supports MSI must also support pin IRQ assertion
  29 interrupt mechanism to provide backward compatibility for systems that
  30 do not support MSI. In Systems, which support MSI, the bus driver is
  31 responsible for initializing the message address and message data of
  32 the device function's MSI/MSI-X capability structure during device
  33 initial configuration.
  34
  35 An MSI capable device function indicates MSI support by implementing
  36 the MSI/MSI-X capability structure in its PCI capability list. The
  37 device function may implement both the MSI capability structure and
  38 the MSI-X capability structure; however, the bus driver should not
  39 enable both.
  40
  41 The MSI capability structure contains Message Control register,
  42 Message Address register and Message Data register. These registers
  43 provide the bus driver control over MSI. The Message Control register
  44 indicates the MSI capability supported by the device. The Message
  45 Address register specifies the target address and the Message Data
  46 register specifies the characteristics of the message. To request
  47 service, the device function writes the content of the Message Data
  48 register to the target address. The device and its software driver
  49 are prohibited from writing to these registers.
  50
  51 The MSI-X capability structure is an optional extension to MSI. It
  52 uses an independent and separate capability structure. There are
  53 some key advantages to implementing the MSI-X capability structure
  54 over the MSI capability structure as described below.
  55
  56         - Support a larger maximum number of vectors per function.
  57
  58         - Provide the ability for system software to configure
  59         each vector with an independent message address and message
  60         data, specified by a table that resides in Memory Space.
  61
  62         - MSI and MSI-X both support per-vector masking. Per-vector
  63         masking is an optional extension of MSI but a required
  64         feature for MSI-X. Per-vector masking provides the kernel
  65         the ability to mask/unmask MSI when servicing its software
  66         interrupt service routing handler. If per-vector masking is
  67         not supported, then the device driver should provide the
  68         hardware/software synchronization to ensure that the device
  69         generates MSI when the driver wants it to do so.
  70
  71 4. Why use MSI?
  72
  73 As a benefit the simplification of board design, MSI allows board
  74 designers to remove out of band interrupt routing. MSI is another
  75 step towards a legacy-free environment.
  76
  77 Due to increasing pressure on chipset and processor packages to
  78 reduce pin count, the need for interrupt pins is expected to
  79 diminish over time. Devices, due to pin constraints, may implement
  80 messages to increase performance.
  81
  82 PCI Express endpoints uses INTx emulation (in-band messages) instead
  83 of IRQ pin assertion. Using INTx emulation requires interrupt
  84 sharing among devices connected to the same node (PCI bridge) while
  85 MSI is unique (non-shared) and does not require BIOS configuration
  86 support. As a result, the PCI Express technology requires MSI
  87 support for better interrupt performance.
  88
  89 Using MSI enables the device functions to support two or more
  90 vectors, which can be configured to target different CPU's to
  91 increase scalability.
  92
  93 5. Configuring a driver to use MSI/MSI-X
  94
  95 By default, the kernel will not enable MSI/MSI-X on all devices that
  96 support this capability. The CONFIG_PCI_MSI kernel option
  97 must be selected to enable MSI/MSI-X support.
  98
  99 5.1 Including MSI/MSI-X support into the kernel
 100
 101 To allow MSI/MSI-X capable device drivers to selectively enable
 102 MSI/MSI-X (using pci_enable_msi()/pci_enable_msix() as described
 103 below), the VECTOR based scheme needs to be enabled by setting
 104 CONFIG_PCI_MSI during kernel config.
 105
 106 Since the target of the inbound message is the local APIC, providing
 107 CONFIG_X86_LOCAL_APIC must be enabled as well as CONFIG_PCI_MSI.
 108
 109 5.2 Configuring for MSI support
 110
 111 Due to the non-contiguous fashion in vector assignment of the
 112 existing Linux kernel, this version does not support multiple
 113 messages regardless of a device function is capable of supporting
 114 more than one vector. To enable MSI on a device function's MSI
 115 capability structure requires a device driver to call the function
 116 pci_enable_msi() explicitly.
 117
 118 5.2.1 API pci_enable_msi
 119
 120 int pci_enable_msi(struct pci_dev *dev)
 121
 122 With this new API, any existing device driver, which like to have
 123 MSI enabled on its device function, must call this API to enable MSI
 124 A successful call will initialize the MSI capability structure
 125 with ONE vector, regardless of whether a device function is
 126 capable of supporting multiple messages. This vector replaces the
 127 pre-assigned dev->irq with a new MSI vector. To avoid the conflict
 128 of new assigned vector with existing pre-assigned vector requires
 129 a device driver to call this API before calling request_irq().
 130
 131 5.2.2 API pci_disable_msi
 132
 133 void pci_disable_msi(struct pci_dev *dev)
 134
 135 This API should always be used to undo the effect of pci_enable_msi()
 136 when a device driver is unloading. This API restores dev->irq with
 137 the pre-assigned IOAPIC vector and switches a device's interrupt
 138 mode to PCI pin-irq assertion/INTx emulation mode.
 139
 140 Note that a device driver should always call free_irq() on MSI vector
 141 it has done request_irq() on before calling this API. Failure to do
 142 so results a BUG_ON() and a device will be left with MSI enabled and
 143 leaks its vector.
 144
 145 5.2.3 MSI mode vs. legacy mode diagram
 146
 147 The below diagram shows the events, which switches the interrupt
 148 mode on the MSI-capable device function between MSI mode and
 149 PIN-IRQ assertion mode.
 150
 151          ------------   pci_enable_msi   ------------------------
 152         |            | <=============== |                        |
 153         | MSI MODE   |                  | PIN-IRQ ASSERTION MODE |
 154         |            | ===============> |                        |
 155          ------------   pci_disable_msi  ------------------------
 156
 157
 158 Figure 1.0 MSI Mode vs. Legacy Mode
 159
 160 In Figure 1.0, a device operates by default in legacy mode. Legacy
 161 in this context means PCI pin-irq assertion or PCI-Express INTx
 162 emulation. A successful MSI request (using pci_enable_msi()) switches
 163 a device's interrupt mode to MSI mode. A pre-assigned IOAPIC vector
 164 stored in dev->irq will be saved by the PCI subsystem and a new
 165 assigned MSI vector will replace dev->irq.
 166
 167 To return back to its default mode, a device driver should always call
 168 pci_disable_msi() to undo the effect of pci_enable_msi(). Note that a
 169 device driver should always call free_irq() on MSI vector it has done
 170 request_irq() on before calling pci_disable_msi(). Failure to do so
 171 results a BUG_ON() and a device will be left with MSI enabled and
 172 leaks its vector. Otherwise, the PCI subsystem restores a device's
 173 dev->irq with a pre-assigned IOAPIC vector and marks released
 174 MSI vector as unused.
 175
 176 Once being marked as unused, there is no guarantee that the PCI
 177 subsystem will reserve this MSI vector for a device. Depending on
 178 the availability of current PCI vector resources and the number of
 179 MSI/MSI-X requests from other drivers, this MSI may be re-assigned.
 180
 181 For the case where the PCI subsystem re-assigned this MSI vector
 182 another driver, a request to switching back to MSI mode may result
 183 in being assigned a different MSI vector or a failure if no more
 184 vectors are available.
 185
 186 5.3 Configuring for MSI-X support
 187
 188 Due to the ability of the system software to configure each vector of
 189 the MSI-X capability structure with an independent message address
 190 and message data, the non-contiguous fashion in vector assignment of
 191 the existing Linux kernel has no impact on supporting multiple
 192 messages on an MSI-X capable device functions. To enable MSI-X on
 193 a device function's MSI-X capability structure requires its device
 194 driver to call the function pci_enable_msix() explicitly.
 195
 196 The function pci_enable_msix(), once invoked, enables either
 197 all or nothing, depending on the current availability of PCI vector
 198 resources. If the PCI vector resources are available for the number
 199 of vectors requested by a device driver, this function will configure
 200 the MSI-X table of the MSI-X capability structure of a device with
 201 requested messages. To emphasize this reason, for example, a device
 202 may be capable for supporting the maximum of 32 vectors while its
 203 software driver usually may request 4 vectors. It is recommended
 204 that the device driver should call this function once during the
 205 initialization phase of the device driver.
 206
 207 Unlike the function pci_enable_msi(), the function pci_enable_msix()
 208 does not replace the pre-assigned IOAPIC dev->irq with a new MSI
 209 vector because the PCI subsystem writes the 1:1 vector-to-entry mapping
 210 into the field vector of each element contained in a second argument.
 211 Note that the pre-assigned IO-APIC dev->irq is valid only if the device
 212 operates in PIN-IRQ assertion mode. In MSI-X mode, any attempt of
 213 using dev->irq by the device driver to request for interrupt service
 214 may result unpredictabe behavior.
 215
 216 For each MSI-X vector granted, a device driver is responsible to call
 217 other functions like request_irq(), enable_irq(), etc. to enable
 218 this vector with its corresponding interrupt service handler. It is
 219 a device driver's choice to assign all vectors with the same
 220 interrupt service handler or each vector with a unique interrupt
 221 service handler.
 222
 223 5.3.1 Handling MMIO address space of MSI-X Table
 224
 225 The PCI 3.0 specification has implementation notes that MMIO address
 226 space for a device's MSI-X structure should be isolated so that the
 227 software system can set different page for controlling accesses to
 228 the MSI-X structure. The implementation of MSI patch requires the PCI
 229 subsystem, not a device driver, to maintain full control of the MSI-X
 230 table/MSI-X PBA and MMIO address space of the MSI-X table/MSI-X PBA.
 231 A device driver is prohibited from requesting the MMIO address space
 232 of the MSI-X table/MSI-X PBA. Otherwise, the PCI subsystem will fail
 233 enabling MSI-X on its hardware device when it calls the function
 234 pci_enable_msix().
 235
 236 5.3.2 Handling MSI-X allocation
 237
 238 Determining the number of MSI-X vectors allocated to a function is
 239 dependent on the number of MSI capable devices and MSI-X capable
 240 devices populated in the system. The policy of allocating MSI-X
 241 vectors to a function is defined as the following:
 242
 243 #of MSI-X vectors allocated to a function = (x - y)/z where
 244
 245 x =     The number of available PCI vector resources by the time
 246         the device driver calls pci_enable_msix(). The PCI vector
 247         resources is the sum of the number of unassigned vectors
 248         (new) and the number of released vectors when any MSI/MSI-X
 249         device driver switches its hardware device back to a legacy
 250         mode or is hot-removed. The number of unassigned vectors
 251         may exclude some vectors reserved, as defined in parameter
 252         NR_HP_RESERVED_VECTORS, for the case where the system is
 253         capable of supporting hot-add/hot-remove operations. Users
 254         may change the value defined in NR_HR_RESERVED_VECTORS to
 255         meet their specific needs.
 256
 257 y =     The number of MSI capable devices populated in the system.
 258         This policy ensures that each MSI capable device has its
 259         vector reserved to avoid the case where some MSI-X capable
 260         drivers may attempt to claim all available vector resources.
 261
 262 z =     The number of MSI-X capable devices pupulated in the system.
 263         This policy ensures that maximum (x - y) is distributed
 264         evenly among MSI-X capable devices.
 265
 266 Note that the PCI subsystem scans y and z during a bus enumeration.
 267 When the PCI subsystem completes configuring MSI/MSI-X capability
 268 structure of a device as requested by its device driver, y/z is
 269 decremented accordingly.
 270
 271 5.3.3 Handling MSI-X shortages
 272
 273 For the case where fewer MSI-X vectors are allocated to a function
 274 than requested, the function pci_enable_msix() will return the
 275 maximum number of MSI-X vectors available to the caller. A device
 276 driver may re-send its request with fewer or equal vectors indicated
 277 in a return. For example, if a device driver requests 5 vectors, but
 278 the number of available vectors is 3 vectors, a value of 3 will be a
 279 return as a result of pci_enable_msix() call. A function could be
 280 designed for its driver to use only 3 MSI-X table entries as
 281 different combinations as ABC--, A-B-C, A--CB, etc. Note that this
 282 patch does not support multiple entries with the same vector. Such
 283 attempt by a device driver to use 5 MSI-X table entries with 3 vectors
 284 as ABBCC, AABCC, BCCBA, etc will result as a failure by the function
 285 pci_enable_msix(). Below are the reasons why supporting multiple
 286 entries with the same vector is an undesirable solution.
 287
 288         - The PCI subsystem can not determine which entry, which
 289           generated the message, to mask/unmask MSI while handling
 290           software driver ISR. Attempting to walk through all MSI-X
 291           table entries (2048 max) to mask/unmask any match vector
 292           is an undesirable solution.
 293
 294         - Walk through all MSI-X table entries (2048 max) to handle
 295           SMP affinity of any match vector is an undesirable solution.
 296
 297 5.3.4 API pci_enable_msix
 298
 299 int pci_enable_msix(struct pci_dev *dev, u32 *entries, int nvec)
 300
 301 This API enables a device driver to request the PCI subsystem
 302 for enabling MSI-X messages on its hardware device. Depending on
 303 the availability of PCI vectors resources, the PCI subsystem enables
 304 either all or nothing.
 305
 306 Argument dev points to the device (pci_dev) structure.
 307
 308 Argument entries is a pointer of unsigned integer type. The number of
 309 elements is indicated in argument nvec. The content of each element
 310 will be mapped to the following struct defined in /driver/pci/msi.h.
 311
 312 struct msix_entry {
 313         u16     vector; /* kernel uses to write alloc vector */
 314         u16     entry; /* driver uses to specify entry */
 315 };
 316
 317 A device driver is responsible for initializing the field entry of
 318 each element with unique entry supported by MSI-X table. Otherwise,
 319 -EINVAL will be returned as a result. A successful return of zero
 320 indicates the PCI subsystem completes initializing each of requested
 321 entries of the MSI-X table with message address and message data.
 322 Last but not least, the PCI subsystem will write the 1:1
 323 vector-to-entry mapping into the field vector of each element. A
 324 device driver is responsible of keeping track of allocated MSI-X
 325 vectors in its internal data structure.
 326
 327 Argument nvec is an integer indicating the number of messages
 328 requested.
 329
 330 A return of zero indicates that the number of MSI-X vectors is
 331 successfully allocated. A return of greater than zero indicates
 332 MSI-X vector shortage. Or a return of less than zero indicates
 333 a failure. This failure may be a result of duplicate entries
 334 specified in second argument, or a result of no available vector,
 335 or a result of failing to initialize MSI-X table entries.
 336
 337 5.3.5 API pci_disable_msix
 338
 339 void pci_disable_msix(struct pci_dev *dev)
 340
 341 This API should always be used to undo the effect of pci_enable_msix()
 342 when a device driver is unloading. Note that a device driver should
 343 always call free_irq() on all MSI-X vectors it has done request_irq()
 344 on before calling this API. Failure to do so results a BUG_ON() and
 345 a device will be left with MSI-X enabled and leaks its vectors.
 346
 347 5.3.6 MSI-X mode vs. legacy mode diagram
 348
 349 The below diagram shows the events, which switches the interrupt
 350 mode on the MSI-X capable device function between MSI-X mode and
 351 PIN-IRQ assertion mode (legacy).
 352
 353          ------------   pci_enable_msix(,,n) ------------------------
 354         |            | <===============     |                        |
 355         | MSI-X MODE |                      | PIN-IRQ ASSERTION MODE |
 356         |            | ===============>     |                        |
 357          ------------   pci_disable_msix     ------------------------
 358
 359 Figure 2.0 MSI-X Mode vs. Legacy Mode
 360
 361 In Figure 2.0, a device operates by default in legacy mode. A
 362 successful MSI-X request (using pci_enable_msix()) switches a
 363 device's interrupt mode to MSI-X mode. A pre-assigned IOAPIC vector
 364 stored in dev->irq will be saved by the PCI subsystem; however,
 365 unlike MSI mode, the PCI subsystem will not replace dev->irq with
 366 assigned MSI-X vector because the PCI subsystem already writes the 1:1
 367 vector-to-entry mapping into the field vector of each element
 368 specified in second argument.
 369
 370 To return back to its default mode, a device driver should always call
 371 pci_disable_msix() to undo the effect of pci_enable_msix(). Note that
 372 a device driver should always call free_irq() on all MSI-X vectors it
 373 has done request_irq() on before calling pci_disable_msix(). Failure
 374 to do so results a BUG_ON() and a device will be left with MSI-X
 375 enabled and leaks its vectors. Otherwise, the PCI subsystem switches a
 376 device function's interrupt mode from MSI-X mode to legacy mode and
 377 marks all allocated MSI-X vectors as unused.
 378
 379 Once being marked as unused, there is no guarantee that the PCI
 380 subsystem will reserve these MSI-X vectors for a device. Depending on
 381 the availability of current PCI vector resources and the number of
 382 MSI/MSI-X requests from other drivers, these MSI-X vectors may be
 383 re-assigned.
 384
 385 For the case where the PCI subsystem re-assigned these MSI-X vectors
 386 to other driver, a request to switching back to MSI-X mode may result
 387 being assigned with another set of MSI-X vectors or a failure if no
 388 more vectors are available.
 389
 390 5.4 Handling function implementng both MSI and MSI-X capabilities
 391
 392 For the case where a function implements both MSI and MSI-X
 393 capabilities, the PCI subsystem enables a device to run either in MSI
 394 mode or MSI-X mode but not both. A device driver determines whether it
 395 wants MSI or MSI-X enabled on its hardware device. Once a device
 396 driver requests for MSI, for example, it is prohibited to request for
 397 MSI-X; in other words, a device driver is not permitted to ping-pong
 398 between MSI mod MSI-X mode during a run-time.
 399
 400 5.5 Hardware requirements for MSI/MSI-X support
 401 MSI/MSI-X support requires support from both system hardware and
 402 individual hardware device functions.
 403
 404 5.5.1 System hardware support
 405 Since the target of MSI address is the local APIC CPU, enabling
 406 MSI/MSI-X support in Linux kernel is dependent on whether existing
 407 system hardware supports local APIC. Users should verify their
 408 system whether it runs when CONFIG_X86_LOCAL_APIC=y.
 409
 410 In SMP environment, CONFIG_X86_LOCAL_APIC is automatically set;
 411 however, in UP environment, users must manually set
 412 CONFIG_X86_LOCAL_APIC. Once CONFIG_X86_LOCAL_APIC=y, setting
 413 CONFIG_PCI_MSI enables the VECTOR based scheme and
 414 the option for MSI-capable device drivers to selectively enable
 415 MSI/MSI-X.
 416
 417 Note that CONFIG_X86_IO_APIC setting is irrelevant because MSI/MSI-X
 418 vector is allocated new during runtime and MSI/MSI-X support does not
 419 depend on BIOS support. This key independency enables MSI/MSI-X
 420 support on future IOxAPIC free platform.
 421
 422 5.5.2 Device hardware support
 423 The hardware device function supports MSI by indicating the
 424 MSI/MSI-X capability structure on its PCI capability list. By
 425 default, this capability structure will not be initialized by
 426 the kernel to enable MSI during the system boot. In other words,
 427 the device function is running on its default pin assertion mode.
 428 Note that in many cases the hardware supporting MSI have bugs,
 429 which may result in system hang. The software driver of specific
 430 MSI-capable hardware is responsible for whether calling
 431 pci_enable_msi or not. A return of zero indicates the kernel
 432 successfully initializes the MSI/MSI-X capability structure of the
 433 device function. The device function is now running on MSI/MSI-X mode.
 434
 435 5.6 How to tell whether MSI/MSI-X is enabled on device function
 436
 437 At the driver level, a return of zero from the function call of
 438 pci_enable_msi()/pci_enable_msix() indicates to a device driver that
 439 its device function is initialized successfully and ready to run in
 440 MSI/MSI-X mode.
 441
 442 At the user level, users can use command 'cat /proc/interrupts'
 443 to display the vector allocated for a device and its interrupt
 444 MSI/MSI-X mode ("PCI MSI"/"PCI MSIX"). Below shows below MSI mode is
 445 enabled on a SCSI Adaptec 39320D Ultra320.
 446
 447            CPU0       CPU1
 448   0:     324639          0    IO-APIC-edge  timer
 449   1:       1186          0    IO-APIC-edge  i8042
 450   2:          0          0          XT-PIC  cascade
 451  12:       2797          0    IO-APIC-edge  i8042
 452  14:       6543          0    IO-APIC-edge  ide0
 453  15:          1          0    IO-APIC-edge  ide1
 454 169:          0          0   IO-APIC-level  uhci-hcd
 455 185:          0          0   IO-APIC-level  uhci-hcd
 456 193:        138         10         PCI MSI  aic79xx
 457 201:         30          0         PCI MSI  aic79xx
 458 225:         30          0   IO-APIC-level  aic7xxx
 459 233:         30          0   IO-APIC-level  aic7xxx
 460 NMI:          0          0
 461 LOC:     324553     325068
 462 ERR:          0
 463 MIS:          0
 464
 465 6. FAQ
 466
 467 Q1. Are there any limitations on using the MSI?
 468
 469 A1. If the PCI device supports MSI and conforms to the
 470 specification and the platform supports the APIC local bus,
 471 then using MSI should work.
 472
 473 Q2. Will it work on all the Pentium processors (P3, P4, Xeon,
 474 AMD processors)? In P3 IPI's are transmitted on the APIC local
 475 bus and in P4 and Xeon they are transmitted on the system
 476 bus. Are there any implications with this?
 477
 478 A2. MSI support enables a PCI device sending an inbound
 479 memory write (0xfeexxxxx as target address) on its PCI bus
 480 directly to the FSB. Since the message address has a
 481 redirection hint bit cleared, it should work.
 482
 483 Q3. The target address 0xfeexxxxx will be translated by the
 484 Host Bridge into an interrupt message. Are there any
 485 limitations on the chipsets such as Intel 8xx, Intel e7xxx,
 486 or VIA?
 487
 488 A3. If these chipsets support an inbound memory write with
 489 target address set as 0xfeexxxxx, as conformed to PCI
 490 specification 2.3 or latest, then it should work.
 491
 492 Q4. From the driver point of view, if the MSI is lost because
 493 of the errors occur during inbound memory write, then it may
 494 wait for ever. Is there a mechanism for it to recover?
 495
 496 A4. Since the target of the transaction is an inbound memory
 497 write, all transaction termination conditions (Retry,
 498 Master-Abort, Target-Abort, or normal completion) are
 499 supported. A device sending an MSI must abide by all the PCI
 500 rules and conditions regarding that inbound memory write. So,
 501 if a retry is signaled it must retry, etc... We believe that
 502 the recommendation for Abort is also a retry (refer to PCI
 503 specification 2.3 or latest).