如何測試VxWorks響應PCIe中斷的最小時間間隔

這篇文章主要介紹了如何測試VxWorks響應PCIe中斷的最小時間間隔，具有一定借鑒價值，感興趣的朋友可以參考下，希望大家閱讀完這篇文章之后大有收獲，下面讓小編帶著大家一起了解一下。

硬件平臺環境如下圖所示，采用兩臺帶有以太網口的設備相連，一端是PC機插有PCIe的FPGA開發板，運行Windows操作系統；另一端是嵌入式設備，運行VxWorks操作系統。

1、嵌入式設備

母板為P2020開發板，PCIe板卡為黑金Xilinx Artix-7 PCIE AX7103 FPGA開發板，運行VxWorks操作系統。

2、PC端

電腦主機一臺，拆開（機箱比較臟，見諒），通過PCIe連線連到黑金Xilinx Artix-7 PCIE AX7103 FPGA開發板上，運行Win7操作系統。

兩臺設備之間通過雙冗余的網線連接。

在上面的環境中，按照以太網幀傳遞過程中的需求，任何一端的中斷處理都包含三個不同的主體，首先是CPU內核的中斷響應機制，然后是加上操作系統之后對中斷響應的處理又有操作系統的要求，之后是PCIe硬件設備也有一套向CPU操作系統發送中斷的規范。任何一方的中斷處理機制都可以寫很長很長的文字去描述，本文在此不再贅述。

PCIe總線支持兩種中斷方式，傳統的INTx中斷和基于存儲器寫請求的中斷請求機制即消息中斷。本文的設計方案中使用的是傳統的INTx中斷。為了敘述上的方便，我們從FPGA的時序圖的角度去描述中斷的處理流程，具體分為主機（PCIe發給主機的中斷信號）、PCIe硬核、驅動來配置的中斷使能信號、FPGA側的中斷源。下圖是具體的主機操作系統為VxWorks時FPGA開發板與主機的中斷交互流程。

1）FPGA側有三個中斷源可以觸發中斷，分別是DMA寫開始、DMA寫完成和DMA讀完成中斷，其中，寫開始中斷源是FPGA告知主機此時有數據要通過DMA寫操作進行上傳；寫完成中斷是FPGA將所有的數據封裝成DMA寫請求包；讀完成中斷是FPGA收齊了所有來自主機的DMA讀完成包。上圖中“1”處是中斷源mwr_start_interrupt拉高了。

2）任意一個中斷源拉高，FPGA側給PCIe IP核配置“置中斷”時序，在cfg_interrupt和cfg_interrupt_rdy握手成功后，cfg_interrupt_assert為高則為置中斷。（cfg_interrupt為PCIe硬核發給主機的中斷請求，cfg_interrupt_rdy為主機接收到中斷請求后的回應，此時需要看cfg_interrupt_assert的狀態，cfg_interrupt_assert為高，則為置中斷，如上圖中“2”處所示；cfg_interrupt_assert為低電平，則為清中斷請求，如上圖中“5”處所示。）

3）“置中斷”后一段時間（此處約為17個時鐘），主機側硬中斷電平INTA拉高，此時才是FPGA板卡真正的向主機發出了一個中斷。如上圖中“3”。

4）驅動檢測到中斷電平拉高后，以PIO寫操作的方式往PCIe的BAR空間中控制狀態寄存器04H的第[31]位寫1，關閉接收中斷功能，此時中斷使能信號線int_dis_o拉高，如上圖中“4”位置。int_dis_o為高電平期間，CPU不再響應FPGA板卡的中斷請求，此處非常重要。之后CPU則以PIO讀的形式讀FPGA的中斷狀態寄存器。

5）FPGA將中斷狀態寄存器的值以PIO讀完成包形式發送給CPU，告知CPU該中斷具體為何種中斷，同時配置“清中斷”時序。如上圖中“5”處所示。

6）CPU驅動記錄中斷源后復位相應中斷標志位，如上圖中“6”處所示。（此處也可由FPGA自己完成）

7）FPGA拉低相應中斷源信號，如上圖中“7”處所示。

8）CPU驅動通過PIO寫操作往控制狀態寄存器04H第[31]位寫0，重新開啟接收中斷功能。如上圖中“8”處所示。

9）重復步驟1）啟動下一次中斷；10）下一次置中斷時序；11）硬中斷電平再次拉高。

下圖為一次完整的DMA讀操作時CPU與FPGA板卡之間的交互流程，最后會涉及到DMA讀完成中斷，詳細過程的描述略。

為了得到VxWorks響應PCIe中斷的最小間隔，我們在FPGA側對兩次“置中斷”間隔，即上圖步驟2）與步驟10）進行了時鐘計數，在“置中斷”時序(cfg_interrupt_rdy & cfg_interrupt_assert)下將間隔時間寄存器inter_intr_clk_cnt[31:0]計數復位，否則計數加一，直到下一次“置中斷”進行計數復位，這樣就能計算出中斷信號兩次拉高的時間間隔。

在測試的過程中，我們用Vivado抓取了實際數據傳輸時兩種不同的中斷場景。

1、場景1：寫開始中斷和讀完成中斷一起處理

有了上面中斷處理流程的介紹，就可以很方便的分析具體工作狀態下的波形圖。從上圖可以看到，讀完成中斷mrd_done_interrupt觸發置中斷時序，主機的硬中斷電平拉高，驅動往控制與狀態寄存器04H的最高位（圖示int_dis_o信號） PIO操作寫“1”，關閉中斷功能，此時硬件這邊不再產生置中斷時序，直到驅動跳出中斷復位程序，往04H的int_dis_o寫“0”，使能中斷；驅動PIO讀中斷狀態寄存器（圖示藍線）“采樣”到讀完成（圖示mrd_done_interrupt信號）和寫開始（圖示mwr_start_interrupt信號）兩個中斷標志位為高，此時，驅動會記錄下來并同時對這兩個中斷標志位進行復位操作，然后驅動分別執行讀完成中斷和寫開始中斷狀態機。

場景2：寫開始中斷和讀完成中斷先后處理

從上圖可以看到，讀完成中斷mrd_done_interrupt觸發置中斷時序，主機的硬中斷電平拉高，驅動往控制與狀態寄存器04H的最高位（圖示int_dis_o信號） PIO操作寫“1”，關閉中斷功能，此時硬件這邊不在產生置中斷時序，直到驅動跳出中斷復位程序，往04H的int_dis_o寫“0”，使能中斷；驅動PIO讀中斷狀態寄存器（圖示藍線1）采樣到讀完成（圖示mrd_done_interrupt信號）中斷標志位為1，硬件產生清中斷時序，將主機側的硬中斷電平拉低，注意，此刻寫開始中斷（圖示mwr_start_interrupt信號）剛好拉高，驅動只記錄讀完成中斷并對讀完成中斷標志位進行復位操作（圖示藍線2），然后驅動執行讀完成中斷狀態機，驅動跳出讀完成中斷狀態機后重新使能中斷（圖示藍線3），此時硬件側因為寫開始中斷才被允許產生置中斷時序，驅動再次檢測到硬中斷電平信號為高，驅動PIO讀中斷狀態寄存器（圖示藍線4）采樣到寫開始中斷標志位為1，硬件產生清中斷時序，將主機側的硬中斷電平拉低，驅動記錄寫開始中斷并對寫開始中斷標志位進行復位操作（圖示藍線5），然后驅動執行寫開始中斷狀態機。

在第二個測試場景中，我們可以通過計數得知兩個相鄰中斷的最小時間間隔，，硬件側產生第一次中斷段時序（圖示藍線1），在執行完第一次中斷后，驅動側將int_dis_o拉低，重新使能中斷，硬件側立即產生置中斷時序進行第二次中斷操作（圖示藍線2），如下圖所示：

我們將圖示藍線2處進行放大得到下圖：

通過相鄰中斷時鐘計數信號inter_intr_clk_cnt[31:0]可以知道相鄰兩中斷的最小間隔是365個鐘，后邊測試過多次，測試結果有368，364，，我們取365，時鐘周期為16ns，由此可以計算得知VxWorks下最小中斷間隔是365*16=5.84us。

結論：VxWorks操作系統中斷處理的最小時間間隔確實是傳說中的微秒級！

出于好奇，我們也嘗試測了一下Windows 操作系統下PCIe中斷響應的時間間隔。在Windows平臺下的驅動暫未使用開/關中斷使能的功能，所以只是測試在點播視頻以及拷貝視頻文件兩種場景下的中斷間隔。

1、場景1：點播視頻，速率為10Mbps左右

從上圖可以看到，上一次置中斷時序復位后計數12417491個clk（16ns）再次產生置中斷時序，此時中斷間隔約為198.7ms，后面統計到一些計數值：19026416（304.4ms）,6486433（103.8ms）,9981793（159.7ms）。在點播視頻時，帶寬并未達到上限，驅動處理兩個相鄰中斷的時間間隔＞100ms。為了在高帶寬情況下測試，我們進行了場景2的測試。

場景2：拷貝視頻，速率為幾百兆bps

從上圖可以看到，上一次置中斷時序復位后計數4175個clk（16ns）再次產生置中斷時序，此時中斷間隔約為66.8us，后面統計到一些計數值：3595（57.5us）、7456（119.3us）、3582（57.3us）、4159（66.5us）。在帶寬提升后，win32驅動處理中斷的頻率有了顯著地提高。

在剛開始的時候，中斷處理流程中CPU操作時并沒有開啟或關閉接收中斷的操作，結果，在Windows平臺下，沒有任何的問題，生成PCIe IP核時，設置傳輸帶寬上限為2Gbps，在1G以太網口測試各種業務時都很穩定，沒有出現操作系統崩潰的情況；但在VxWorks系統測試時，由于VxWorks系統實時性非常好，響應中斷也比較及時，就會出現操作系統正在執行一個中斷服務程序時，硬件又來了一個中斷，直接導致VxWorks系統死掉，如下圖所示。當然，這也是中斷處理流程不規范造成的。后續會在Windows驅動中也添加上開關中斷使能的步驟，測試一下Windows相應PCIe中斷的最小間隔。不過從目前測試數據看，Windows相應PCIe中斷的速度肯定會比VxWorks慢很多。

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